[论文解读] Measurement of photonuclear jet production in ultra-peripheral Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{ ext{NN}}} = 5.02$ TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Aakvaag, Erlend+2985 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文首次利用ATLAS探测器，在√sNN = 5.02 TeV的超外围Pb+Pb碰撞中测量了光致核子喷注产生，采用HT、xA和zγ的三重微分截面，探究核子部分子分布。数据在遮蔽区域显著偏离了Leading-Order QCD预测，对核子PDF施加了强约束，并为未来电子-离子对撞机（EIC）结果提供了直接的LHC对比。

ABSTRACT

In ultra-relativistic heavy ion collisions at the LHC, each nucleus acts a sources of high-energy real photons that can scatter off the opposing nucleus in ultra-peripheral photonuclear ($γ+A$) collisions. Hard scattering processes initiated by the photons in such collisions provide a novel method for probing nuclear parton distributions in a kinematic region not easily accessible to other measurements. ATLAS has measured production of dijet and multi-jet final states in ultra-peripheral Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{ ext{NN}}} = 5.02$ TeV using a data set recorded in 2018 with an integrated luminosity of 1.72 $ ext{nb}^{-1}$. Photonuclear final states are selected by requiring a rapidity gap in the photon direction; this selects events where one of the outgoing nuclei remains intact. Jets are reconstructed using the anti-$k_ ext{t}$ algorithm with radius parameter, $R = 0.4$. Triple-differential cross-sections, unfolded for detector response, are measured and presented using two sets of kinematic variables. The first set consists of the total transverse momentum ($H_ ext{T}$),rapidity, and mass of the jet system. The second set uses $H_ ext{T}$ and particle-level nuclear and photon parton momentum fractions, $x_ ext{A}$ and $z_γ$, respectively. The results are compared with leading-order (LO) perturbative QCD calculations of photonuclear jet production cross-sections, where all LO predictions using existing fits fall below the data in the shadowing region. More detailed theoretical comparisons will allow these results to strongly constrain nuclear parton distributions, and these data provide results from the LHC directly comparable to early physics results at the planned Electron-Ion Collider.

研究动机与目标

• 利用ATLAS探测器测量√sNN = 5.02 TeV的超外围Pb+Pb碰撞中光致核子喷注产生。
• 在固定靶实验无法触及的运动学区域（特别是低xA下的遮蔽区域）探测核子部分子分布函数（nPDFs）。
• 提供高精度的、经探测器效应展开的三重微分截面测量，以实现与微扰QCD计算的直接比较。
• 通过将数据与Leading-Order（LO）预测进行比较，尤其在中等Q²和低xA区域，对现有nPDF拟合进行约束。
• 通过覆盖广泛的xA和Q²运动学范围，使结果可直接与即将开展的电子-离子对撞机（EIC）早期物理结果进行比较。

提出的方法

• 在具有快速度间隙的事件中使用反-kT算法（R = 0.4）重建喷注，以识别完整的末态核子。
• 通过在光子方向施加快速度间隙要求，筛选光致核子事件，确保一个核子保持完整。
• 使用事例选择和几何接受度定义，测量三重微分截面d³σ/dHT dxA dzγ，并应用展开方法校正探测器响应。
• 使用Pythia 8模拟，结合nCTEQ15 WZ+SIH PDF和基于Starlight的光子通量，建立理论预测模型。
• 利用专用校准样本对喷注能量标度和分辨率进行原位修正，以提高喷注能量重建精度。
• 对喷注能量、背景估计和展开过程的系统不确定性进行全面评估，结果以统计不确定性和系统不确定性的形式报告。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√sNN = 5.02 TeV的超外围Pb+Pb碰撞中，光致核子喷注产生截面与Leading-Order QCD预测相比如何？
• RQ2 测量的截面在低xA（遮蔽）区域对核子部分子分布函数的约束程度如何？
• RQ3 该测量对核子PDF的xA和zγ依赖性敏感度如何，特别是在中等Q²范围（100–10⁴ GeV²）？
• RQ4 数据与包含直接和分辨光子贡献的理论模型相比如何？
• RQ5 该测量能否作为未来在相同运动学区域开展的电子-离子对撞机（EIC）测量的基准？

主要发现

• 在HT、xA和zγ上的测量三重微分截面在低xA区域显著偏离Leading-Order QCD预测，尤其在遮蔽区域。
• 所有使用现有nPDF拟合的LO预测在遮蔽区域均低于数据，表明需要改进nPDF参数化。
• 数据对核子PDF的xA依赖性表现出强烈敏感性，在xA < 10⁻³的区间中观察到清晰结构。
• 使用Pythia 8结合nCTEQ15 WZ+SIH PDF和zγ依赖的碎裂分数进行的理论比较显示出一致趋势，但在低xA区域仍低估数据。
• 本结果首次在Pb+Pb碰撞中实现了光致核子喷注产生的完整展开测量，为未来EIC数据提供了精确对比。
• 系统不确定性主要来自喷注能量标度和分辨率，统计不确定性在大多数区间内小于标记点尺寸。