[论文解读] Measurement of the $Z$ boson production cross-section in proton-lead collisions at $\sqrt{s_\mathrm{NN}}=8.16\,\mathrm{TeV}$

LHCb collaboration, Aaij, Roel+1032 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文利用LHCb探测器，在√sNN = 8.16 TeV的质子-铅核碰撞中，首次实现了对Z玻色子产生截面、前后向比值以及核子修改因子的微分测量。该结果基于2016年采集的30.8 nb⁻¹积分亮度获得，与核子部分子分布函数（nPDF）预测高度一致，并对小Bjorken-x区域（尤其在LHCb独特的前向覆盖区域，x < 10⁻³）的部分子分布提供了强有力的约束。

ABSTRACT

This article presents the first measurement of the differential $Z$-boson production cross-section in the forward region using proton-lead collisions with the LHCb detector. The dataset was collected at a nucleon-nucleon centre-of-mass energy of $\sqrt{s_\mathrm{NN}}=8.16\,\mathrm{TeV}$ in 2016, corresponding to an integrated luminosity of $30.8\,\mathrm{nb}^{-1}$. The forward-backward ratio and the nuclear modification factors are measured together with the differential cross-section as functions of the $Z$ boson rapidity in the centre-of-mass frame, the transverse momentum of the $Z$ boson and a geometric variable $ϕ^{*}$. The results are in good agreement with the predictions from nuclear parton distribution functions, providing strong constraining power at small Bjorken-$x$.

研究动机与目标

• 利用LHCb探测器的前向覆盖能力，测量在√sNN = 8.16 TeV的质子-铅核碰撞中Z玻色子产生的微分截面。
• 测定Z玻色子产生截面在质心系中的前后向比值（RFB），作为y∗Z、pZT和ϕ∗的函数。
• 提取Z → μ⁺μ⁻衰变在前向和后向碰撞构型下的核子修改因子（RpPb）。
• 为小Bjorken-x区域（10⁻⁴ < x < 10⁻³）的核子部分子分布函数（nPDF）提供新的约束，该区域数据稀缺。
• 检验Z玻色子产生对初态核效应的敏感性，并区分初态与末态介质效应。

提出的方法

• 分析使用了2016年LHCb探测器在√sNN = 8.16 TeV下采集的30.8 nb⁻¹质子-铅核碰撞数据，其中前向和后向分别具有12.2 nb⁻¹和18.6 nb⁻¹的亮度。
• 通过Z玻色子的二μ衰变（Z → μ⁺μ⁻）重建Z玻色子候选事例，μ子在前向区域（2.0 < η < 4.5）被识别，并在质心系中重建。
• 测量了微分截面作为Z玻色子快度（y∗Z）、横动量（pZT）以及对横动量不平衡敏感的几何变量ϕ∗的函数。
• 前后向比值（RFB）通过在相同动量范围下，前向（pPb）与后向（Pbp）碰撞截面的比值计算得出。
• 通过将pPb截面与√s = 13 TeV的pp碰撞截面进行比较，提取核子修改因子（RpPb），其中使用1.7 fb⁻¹的pp数据进行归一化。
• 通过嵌入最小作用截面事例的完整探测器模拟，确保了对接受度和效率的精确建模，包括末态辐射修正（fFSR）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√sNN = 8.16 TeV的质子-铅核碰撞中，Z玻色子产生的微分截面如何随快度（y∗Z）、横动量（pZT）和ϕ∗变化？
• RQ2 Z玻色子产生的前后向比值（RFB）是多少？其在不同动量区域如何变化？
• RQ3 Z → μ⁺μ⁻的核子修改因子（RpPb）与1相比如何？它们揭示了哪些关于初态核效应的信息？
• RQ4 测量得到的截面和比值在多大程度上约束了小Bjorken-x区域（x < 10⁻³）的核子PDF？
• RQ5 最先进的nPDF模型（如EPPS09、nCTEQ15）在前向区域对数据的描述程度如何？

主要发现

• 在√sNN = 8.16 TeV的质子-铅核碰撞中，首次在前向区域以高精度测量了Z → μ⁺μ⁻产生的微分截面，覆盖了质心系中y∗Z从2.0到4.0的范围。
• 前后向比值（RFB）在大多数动量区域与1一致，其值在pZT为[0.2, 0.4] GeV的区间内为0.65 ± 0.21 ± 0.05 ± 0.02，在[63.0, 270.0] GeV区间内为1.03 ± 0.46 ± 0.08 ± 0.04，表明无显著不对称性。
• 在前向区域，y∗Z ∈ [2.0, 2.5]时，核子修改因子RpPb测量值为0.87 ± 0.10 ± 0.03 ± 0.02；在后向区域，pZT ∈ [0.0, 4.6] GeV时为1.63 ± 0.24 ± 0.07 ± 0.04，显示出强烈的动量依赖性。
• 在ϕ∗变量中，前向区域ϕ∗ ∈ [0.00, 0.02]时RpPb为0.94 ± 0.13 ± 0.04 ± 0.02，而在[0.40, 4.00]区间内为1.52 ± 0.29 ± 0.09 ± 0.04，表明在两种构型下高ϕ∗区域均存在增强的产生。
• 结果与EPPS09和nCTEQ15等核子PDF预测高度一致，为小Bjorken-x区域（10⁻⁴ < x < 10⁻³）的nPDF提供了强有力的约束。
• 该测量展示了Z玻色子产生对初态核效应的敏感性，并在高能前向区域为测试nPDF建立了新的基准。