[论文解读] Azimuthal Correlations within Exclusive Dijets with Large Momentum Transfer in Photon-Lead Collisions

A. Tumasyan, W. Adam+2319 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用 4

一句话总结

本研究首次测量了在 √sNN = 5.02 TeV 的光子-铅碰撞中，大动量转移的独显二喷胶事件的方位角关联，基于 CMS 实验的 0.38 nb⁻¹ 数据。观测到 ⟨cos(2Φ)⟩ 随二喷胶横动量增加而呈正向上升趋势，表明可能存在胶子极化效应，而基于 HERA 的领先模型无法解释该现象。

ABSTRACT

The structure of nucleons is multidimensional and depends on the transverse momenta, spatial geometry, and polarization of the constituent partons. Such a structure can be studied using high-energy photons produced in ultraperipheral heavy-ion collisions. The first measurement of the azimuthal angular correlations of exclusively produced events with two jets in photon-lead interactions at large momentum transfer is presented, a process that is considered to be sensitive to the underlying nuclear gluon polarization. This study uses a data sample of ultraperipheral lead-lead collisions at $\sqrt{s_\mathrm{NN}}$ = 5.02 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 0.38 nb$^{-1}$, collected with the CMS experiment at the LHC. The measured second harmonic of the correlation between the sum and difference of the two jet momenta is found to be positive, and rising, as the dijet momentum increases. A well-tuned model that has been successful at describing a wide range of proton scattering data from the HERA experiments fails to describe the observed correlations, suggesting the presence of gluon polarization effects.

研究动机与目标

• 利用重离子超外围碰撞中产生的高能光子，探测核子的多维结构，特别是核内胶子极化。
• 测量大动量转移下独显二喷胶产生过程中喷胶之间的方位角关联，该过程对核胶子极化敏感。
• 通过 LHC 新的光子-核子相互作用数据，检验现有模型（尤其是基于 HERA 质子散射数据校准的模型）的有效性。
• 通过实验测量区分初态与末态辐射效应，以解决对方位角关联解释的模糊性。

提出的方法

• 利用 CMS 实验在 √sNN = 5.02 TeV 下收集的超外围 Pb-Pb 碰撞数据，积分亮度为 0.38 nb⁻¹。
• 通过要求高横能沉积在 ECAL 和 HF 量能器中信号抑制的双级触发系统，选择具有大快度间隙和大动量转移的独显二喷胶事件。
• 测量第二傅里叶谐波 ⟨cos(2Φ)⟩，其中 Φ 为两个喷胶横动量矢量之和与之差之间的方位角。
• 应用运动学重建与事件选择标准，从背景过程（包括非弹性衍射和多部分子相互作用）中分离出独显二喷胶事件。
• 将测量得到的 ⟨cos(2Φ)⟩ 与基于 HERA 数据校准的成熟模型预测值进行比较，该模型虽能成功描述广泛的 HERA 质子散射数据，但无法描述观测到的上升趋势。
• 使用 HEPData 提供表格化结果，供公众访问，并用于未来与理论模型的对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光子-铅碰撞中独显二喷胶产生过程中，⟨cos(2Φ)⟩ 是否随二喷胶横动量增加而上升，如涉及胶子极化的模型所预测？
• RQ2 基于 HERA 数据的现有模型在多大程度上能描述高能光子-核子碰撞中观测到的 ⟨cos(2Φ)⟩？
• RQ3 观测到的方位角关联能否由末态辐射效应完全解释，还是指向核内胶子的内在极化？
• RQ4 部分子喷发中的初态辐射在产生二喷胶事件中表观方位角去关联方面起什么作用？
• RQ5 超外围碰撞中独显二喷胶产生的角关联如何反映核内胶子的多维结构？

主要发现

• 测量得到的第二谐波 ⟨cos(2Φ)⟩ 为正值，并随二喷胶横动量增加而上升，表明方位角去关联效应增强。
• 观测到的 ⟨cos(2Φ)⟩ 上升趋势与成功描述广泛 HERA 质子散射数据的校准模型预测不一致。
• 基于 HERA 的模型无法描述实验数据，表明当前理论框架中可能存在未被考虑的额外动力学，如胶子极化。
• 结果提供了 LHC 上光子-核碰撞中独显二喷胶产生过程方位角关联的首个实验证据，开辟了探测核胶子结构的新途径。
• 观测到的关联无法仅由末态辐射完全解释，尽管近期计算预测存在非零谐波，但数据中的幅值和趋势远超此类预期。
• 研究结果促使未来进一步开展理论与实验工作，以明确胶子极化对核碰撞中观测角关联的贡献。