[论文解读] Measurement of muon pairs produced via $γγ$ scattering in non-ultraperipheral Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{_\mathrm{NN}}} = 5.02$ TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2935 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本研究利用2015年和2018年ATLAS数据中的1.94 nb⁻¹，测量了在√sNN = 5.02 TeV下的非超外围Pb+Pb碰撞中通过γγ散射产生的二μ子道道。结果确认了随碰撞中心度变化的非共线角与k⊥分布的展宽，更高精度的测量揭示了在中心碰撞中，小非共线角与k⊥区域存在耗竭现象；同时未发现对快度分离或事件平面取向的显著依赖性，排除了磁场效应作为展宽主导来源的可能性。

ABSTRACT

Results of a measurement of dimuon photoproduction in non-ultraperipheral Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{_\mathrm{NN}}} = 5.02$ TeV are presented. The measurement uses ATLAS data from the 2015 and 2018 Pb+Pb data-taking periods at the LHC with an integrated luminosity of $1.94~\mathrm{nb}^{-1}$. The $γγ ightarrow μ^+μ^-$ pairs are identified via selections on pair momentum asymmetry and acoplanarity. Differential cross-sections for dimuon production are measured in different centrality, average muon momentum and pair rapidity intervals as functions of acoplanarity and $k_\perp$, the transverse momentum kick of one muon relative to the other. Measurements are also made as a function of the rapidity separation of the muons and the angle of the muon pair relative to the second-order event plane to test whether magnetic fields generated in the quark-gluon plasma affect the measured muons. A prior observation of a centrality-dependent broadening of the acoplanarity distribution is confirmed. Furthermore, the improved precision of the measurement reveals a depletion in the number of pairs having small acoplanarity or $k_{\perp}$ values in more central collisions. The acoplanarity distributions in a given centrality interval are observed to vary with the mean-$p_{\mathrm{T}}$ of the muons in the pair, but the $k_{\perp}$ distributions do not. Comparisons with recent theoretical predictions are made. The predicted trends associated with effects of magnetic fields on the dimuons are not observed.

研究动机与目标

• 测量在√sNN = 5.02 TeV下的非超外围Pb+Pb碰撞中通过γγ散射产生的二μ子道道。
• 研究在夸克-胶子等离子体中产生的磁场是否会影响μ⁺μ⁻对的动量空间构型。
• 检验电磁相互作用在等离子体中导致的非共线角与横动量不平衡的理论预测。
• 通过测量与中心度、平均pT、快度分离及事件平面取向的依赖关系，区分初态效应与末态相互作用。

提出的方法

• 通过配对动量不对称性和非共线角的选择识别γγ→μ⁺μ⁻道道。
• 测量微分截面作为非共线角（α）、横动量冲量（k⊥）、中心度、μ子平均pT及配对快度的函数。
• 分析k⊥分布随快度分离|Δy|及相对于二阶事件平面夹角|2Δϕ|的变化，以探测磁场效应。
• 将数据与QED计算及基于光子Wigner函数的模型进行比较，以评估初态与末态效应。
• 应用改进的触发与重建技术，提升相对于先前测量的统计精度。
• 使用包含核部分子分布函数的STARlight模型减去背景，以分离γγ诱导的二μ子道道。

实验结果

研究问题

• RQ1 μ⁺μ⁻对的非共线角分布是否表现出与中心度相关的展宽，且与夸克-胶子等离子体中末态电磁散射一致？
• RQ2 μ子间快度分离|Δy|是否对k⊥或非共线角有可测量的依赖性，如磁场效应所预测？
• RQ3 μ子对相对于二阶事件平面（作为碰撞参数与磁场方向的代理）的取向是否会影响k⊥分布？
• RQ4 基于Wigner函数建模的初态光子横动量分布，在多大程度上能解释观测到的非共线角与k⊥分布？
• RQ5 包含磁场效应的理论模型是否能再现观测到的小k⊥与α区域的耗竭现象？

主要发现

• 在中心碰撞中，特别是在接近零值区域，非共线角与k⊥分布中观察到显著耗竭，且统计精度更高。
• 非共线角分布强烈依赖于μ子的平均横动量（¯pT），而k⊥分布则近似与¯pT无关。
• k⊥分布不随μ子对相对于二阶事件平面的取向而变化，排除了磁场诱导偏转起主导作用的可能性。
• k⊥分布不随快度分离|Δy|变化，与磁场效应预期的tanh|Δy|依赖关系相矛盾。
• QED计算比基于光子Wigner函数的模型更准确地描述数据，后者预测的耗竭程度低于实际观测值。
• 包含核部分子分布函数的STARlight模型低估了测量到的γγ→μ⁺μ⁻截面，尤其在中心碰撞中更为明显。