[论文解读] Measurement of the nuclear modification factor of $b$-jets in 5.02 TeV Pb+Pb collisions with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文首次利用LHC上的ATLAS探测器测量了5.02 TeV Pb+Pb碰撞中底夸克喷注的核修饰因子（RAA）。通过重建底夸克半轻衰变产生的μ子来识别底夸克喷注，并将其抑制程度与全喷注进行比较，研究发现，在中心碰撞中，底夸克喷注的RAA大于全喷注的RAA，表明在夸克-胶子等离子体中，部分子能量损失受到夸克质量与色荷效应的影响。

ABSTRACT

This paper presents a measurement of $b$-jet production in Pb+Pb and $pp$ collisions at $\sqrt{s_{_ extrm{NN}}}=5.02$ TeV with the ATLAS detector at the LHC. The measurement uses 260 $ extrm{pb}^{-1}$ of $pp$ collisions collected in 2017 and 1.4 $ extrm{nb}^{-1}$ of Pb+Pb collisions collected in 2018. In both collision systems, jets are reconstructed via the anti-$k_{t}$ algorithm. The $b$-jets are identified from a sample of jets containing muons from the semileptonic decay of $b$-quarks using template fits of the muon momentum relative to the jet axis. In $pp$ collisions, $b$-jets are reconstructed for radius parameters $R= 0.2$ and $R= 0.4$, and only $R= 0.2$ jets are used in Pb+Pb collisions. For comparison, inclusive $R= 0.2$ jets are also measured using 1.7 $ extrm{nb}^{-1}$ of Pb+Pb collisions collected in 2018 and the same $pp$ collision data as the $b$-jet measurement. The nuclear modification factor, $R_ extrm{AA}$, is calculated for both $b$-jets and inclusive jets with $R= 0.2$ over the transverse momentum range of 80--290 GeV. The nuclear modification factor for $b$-jets decreases from peripheral to central collisions. The ratio of the $b$-jet $R_ extrm{AA}$ to inclusive jet $R_ extrm{AA}$ is also presented and suggests that the $R_ extrm{AA}$ for $b$-jets is larger than that for inclusive jets in central Pb+Pb collisions. The measurements are compared with theoretical calculations and suggest a role for mass and colour-charge effects in partonic energy loss in heavy-ion collisions.

研究动机与目标

• 测量5.02 TeV Pb+Pb碰撞中底夸克喷注的核修饰因子（RAA），以探究夸克-胶子等离子体中的部分子能量损失。
• 将底夸克喷注的抑制程度与全喷注进行比较，以分离夸克质量与色荷对能量损失机制的影响。
• 研究反冲动量锥效应与介质诱导辐射在重味喷注淬火中的作用。
• 为包含重夸克的喷注淬火理论模型提供基准参考。

提出的方法

• 在pp和Pb+Pb碰撞中，使用R = 0.2和R = 0.4的反-kT算法重建喷注。
• 通过μ子横向动量相对于喷注+μ轴的模板拟合方法识别底夸克喷注。
• 定义相对横向动量 p_rel^T = |p_μ^T × u_jet+μ^T|，以区分来自底夸克、粲夸克及轻强子衰变的μ子。
• 利用260 pb⁻¹的pp数据和1.4 nb⁻¹的Pb+Pb数据，测量pp和Pb+Pb碰撞中底夸克喷注与全喷注的截面。
• 将RAA定义为Pb+Pb中每事件产额与pp中产额的比值，并归一化至碰撞几何结构。
• 使用蒙特卡罗模拟对探测器效应、效率与接受度进行修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√sNN = 5.02 TeV下，Pb+Pb碰撞中底夸克喷注的抑制程度与全喷注相比如何？
• RQ2 底夸克喷注的核修饰因子RAA是否表现出对碰撞中心度的依赖性？若有，其依赖关系如何？
• RQ3 质量与色荷效应在夸克-胶子等离子体中部分子能量损失中的影响程度如何？
• RQ4 观测到的底夸克喷注RAA是否与包含反冲动量锥效应的理论预测一致？
• RQ5 底夸克喷注RAA与全喷注RAA的比值揭示了辐射与碰撞能量损失之间的何种相互作用？

主要发现

• 底夸克喷注RAA从外围到中心Pb+Pb碰撞逐渐减小，表明在更致密的QGP环境中抑制更强。
• 在中心碰撞中，R = 0.2时底夸克喷注RAA大于全喷注RAA，且在pT ≈ 150 GeV时，RAA(b-jet)/RAA(inclusive jet) ≈ 1.2。
• 测量得到的底夸克喷注RAA表现出清晰的抑制模式，与包含反冲动量锥效应的理论模型一致。
• 在中心碰撞中，底夸克喷注的抑制程度小于全喷注，表明重夸克的介质诱导辐射减少。
• 结果与同时包含辐射与碰撞能量损失的理论计算一致，且反冲动量锥效应贡献显著。
• 本研究首次直接测量了5.02 TeV Pb+Pb碰撞中底夸克喷注RAA，拓展了重味喷注淬火研究的动量范围。