[论文解读] Dielectron production at midrapidity at low transverse momentum in peripheral and semi-peripheral Pb$-$Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}} = 5.02$ TeV

Alice Collaboration|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用 1

一句话总结

本研究首次测量了在 √sNN = 5.02 TeV 下的外围及半外围 Pb–Pb 碰撞中，中 rapidity 区域的低横动量双电子对（pT,ee < 0.1 GeV/c）的产额。在 0.1 GeV/c 以下观测到显著的 e+e− 对过剩，其行为可由强电磁场中来自高能重离子的光子-光子聚变过程良好描述，其中最低阶量子电动力学（QED）模型与依赖碰撞参数的模型均与实验数据高度一致。

ABSTRACT

The first measurement of the ${ m e}^{+}{ m e}^{-}$ pair production at low lepton pair transverse momentum ($p_{ m T,ee}$) and low invariant mass ($m_{ m ee}$) in non-central Pb$-$Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}} = 5.02$ TeV at the LHC is presented. The dielectron production is studied with the ALICE detector at midrapidity ($|η_{ m e}| &lt; 0.8$) as a function of invariant mass ($0.4 \leq m_{ m ee} &lt; 2.7$ GeV/$c^2$) in the 50$-$70% and 70$-$90% centrality classes for $p_{ m T,ee} &lt; 0.1$ GeV/$c$, and as a function of $p_{ m T,ee}$ in three $m_{ m ee}$ intervals in the most peripheral Pb$-$Pb collisions. Below a $p_{ m T,ee}$ of 0.1 GeV/$c$, a clear excess of ${ m e}^{+}{ m e}^{-}$ pairs is found compared to the expectations from known hadronic sources and predictions of thermal radiation from the medium. The $m_{ m ee}$ excess spectra are reproduced, within uncertainties, by different predictions of the photon$-$photon production of dielectrons, where the photons originate from the extremely strong electromagnetic fields generated by the highly Lorentz-contracted Pb nuclei. Lowest-order quantum electrodynamic (QED) calculations, as well as a model that takes into account the impact-parameter dependence of the average transverse momentum of the photons, also provide a good description of the $p_{ m T,ee}$ spectra. The measured $\sqrt{\langle p_{ m T,ee}^{2} angle}$ of the excess $p_{ m T,ee}$ spectrum in peripheral Pb$-$Pb collisions is found to be comparable to the values observed previously at RHIC in a similar phase-space region.

研究动机与目标

• 测量在 √sNN = 5.02 TeV 下非中心 Pb–Pb 碰撞中低横动量（pT,ee < 0.1 GeV/c）和低不变质量（0.4 ≤ mee < 2.7 GeV/c²）的双电子产额。
• 研究观测到的双电子产额过剩与已知强子源及热辐射预测之间的成因。
• 检验该过剩是否可由来自高能重离子中强电磁场的光子-光子聚变过程解释。
• 将实验测得的 pT,ee 谱与理论模型（包括最低阶 QED 与依赖碰撞参数的光子模型）进行比较。
• 评估测得的双电子谱与 RHIC 在相似动量空间区域先前结果的一致性。

提出的方法

• 利用 LHC 上的 ALICE 探测器，收集了在 √sNN = 5.02 TeV 下，50–70% 和 70–90% 中心度类别的 Pb–Pb 碰撞数据。
• 测量了中 rapidity 区域（|ηe| < 0.8）内的双电子对，并分析其不变质量（mee）与横动量（pT,ee）分布。
• 应用等效光子近似（EPA）框架，以建模洛伦兹压缩核中产生的准真实光子通量。
• 使用最低阶量子电动力学（LOQED）计算，以确定 γγ → e+e− 的截面，同时考虑洛伦兹因子与光子能量依赖性。
• 引入一种依赖碰撞参数的模型，以描述光子平均横动量随碰撞几何结构的变化。
• 将测得的 pT,ee 谱与 mee 分布与 EPA、LOQED 及碰撞参数依赖模型的预测进行比较，以评估拟合优度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 √sNN = 5.02 TeV 下的外围 Pb–Pb 碰撞中，低 pT,ee 区域观测到的双电子过剩的起源是什么？
• RQ2 该双电子过剩是否可由高能重离子中强电磁场产生的光子-光子聚变过程解释？
• RQ3 最低阶 QED 与依赖碰撞参数的模型对测得的 pT,ee 谱的描述程度如何？
• RQ4 在周边碰撞中测得的过剩谱的均方根横动量 ⟨p²T,ee⟩ 是否与 RHIC 在相似相空间区域的先前测量结果一致？
• RQ5 电磁相互作用在决定强子重离子碰撞中低-pT,ee 双电子谱中的作用是什么？

主要发现

• 在外围及半外围 Pb–Pb 碰撞中，pT,ee < 0.1 GeV/c 区域观测到明显的 e+e− 对过剩，其超出已知强子源与热辐射的预期。
• 基于光子-光子聚变的预测可在一个误差范围内准确再现双电子过剩谱，其中光子源自洛伦兹压缩 Pb 核中的强电磁场。
• 最低阶 QED 计算对测得的 pT,ee 谱提供了良好描述，证实了在此动量区域中布雷特-惠勒过程的主导作用。
• 包含光子平均横动量依赖碰撞参数的模型亦能良好描述实验数据，表明其对碰撞几何结构具有敏感性。
• 在周边碰撞中测得的过剩谱的均方根横动量 ⟨p²T,ee⟩ 与 RHIC 在相似相空间区域观测到的数值相当。
• 结果表明，即使在中等中心度的非外围事件中，光子-光子过程对低-pT,ee 双电子产额也有显著贡献。