[论文解读] Measurement of two-particle correlations in hadronic $e^{+}e^{-}$ collisions at Belle

Belle Collaboration, A. Abdesselam+461 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2020

High-Energy Particle Collisions Research被引用 5

一句话总结

本论文首次利用Belle实验在$√s} = 10.52$ GeV的强子$e^+e^-$碰撞中测量了两粒子关联，采用束流轴和动量轴坐标系。对脊状结构产量设定了严格的95%置信上限，未发现显著的脊状结构，数据更符合Pythia和Sherpa而非Herwig事件生成器，表明在动量轴坐标系下呈现出非典型的相关性模式。

ABSTRACT

The enhancement of charged-particle pairs with large pseudorapidity difference and small azimuthal angle difference, often referred to as the ``ridge signal'', is a phenomenon widely observed in high multiplicity proton-proton, proton-ion and deutron-ion collisions, which is not yet fully understood. In heavy-ion collisions, the hydrodynamic expansion of the Quark-Gluon Plasma is one of the possible explanations of the origin of the ridge signal. Measurements in the $e^+e^-$ collision system, without the complexities introduced by hadron structure in the initial state, can serve as a complementary probe to examine the formation of a ridge signal. The first measurement of two-particle angular correlation functions in high multiplicity $e^+e^-$ collisions at $\sqrt{s}=10.52$ GeV is reported. The hadronic $e^+e^-$ annihilation data collected by the Belle detector at KEKB are used in this study. Two-particle angular correlation functions are measured over the full azimuth and large pseudorapidity intervals which are defined by either the electron beam axis or the event thrust as a function of charged particle multiplicity. The measurement in the event thrust analysis, with mostly outgoing quark pairs determining the reference axis, is sensitive to the region of additional soft gluon emissions. No significant ridge signal is observed with either coordinates analyses. Near side jet correlations appear to be absent in the thrust axis analysis. The measurements are compared to predictions from various event generators and expected to provide new constraints to the phenomenological models in the low energy regime.

研究动机与目标

• 利用Belle探测器测量在$\sqrt{s} = 10.52$ GeV下的强子$e^+e^-$碰撞中的两粒子关联。
• 在束流轴和动量轴坐标系下，研究关联函数中是否存在类似脊状的结构。
• 将实验数据与Belle MC、Herwig 7.1.5和Sherpa 2.2.5事件生成器的蒙特卡罗模拟进行比较。
• 通过自展重采样方法量化任何脊状信号的显著性，并设定脊状结构产量的95%上限。
• 研究在动量轴坐标系下近侧峰强度与对撞能量的依赖关系。

提出的方法

• 应用ZYAM（最小值处产量为零）方法，从两粒子关联函数$Y(\Delta\phi)$中减去背景。
• 在$1.5 \leq |\Delta\eta| < 3.0$的伪快度范围内，对束流轴和动量轴参考系中的关联函数进行测量。
• 通过自展程序采样$2 \times 10^6$次，传播统计和系统误差，以计算脊状结构产量的95%上限。
• 通过积分$Y(\Delta\phi)$从$\Delta\phi = 0$到ZYAM拟合最小值来评估任何脊状信号的显著性，对可忽略产量报告$>5\sigma$极限。
• 将事件生成器（Belle MC、Herwig 7.1.5、Sherpa 2.2.5）与数据进行比较，以评估其对关联模式的描述能力。
• 分析在动量轴系统下近侧峰强度与质心系能量之间的关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在束流轴坐标系下，$e^+e^-$碰撞中$\sqrt{s} = 10.52$ GeV的两粒子关联中是否出现类似脊状的结构？
• RQ2 在动量轴坐标系下，关联模式与$pp$和$pp$碰撞相比如何，特别是近侧峰结构方面？
• RQ3 Herwig、Sherpa和Belle MC等事件生成器在多大程度上能再现观测到的关联函数？
• RQ4 在95%置信水平下，脊状结构产量的上限是多少？其随校正后平均道迹数$\langle N_{\rm Trk}^{\rm Corr} \rangle$的变化如何？
• RQ5 在动量轴分析下，近侧峰幅度与质心系能量之间是否存在可测量的相关性？

主要发现

• 在束流轴和动量轴坐标系下均未观察到显著的类似脊状结构，ZYAM减去背景后的关联函数在$\Delta\phi \approx 0$处无过量。
• 脊状结构产量的95%上限在大多数$\langle N_{\rm Trk}^{\rm Corr} \rangle$区间内低于$10^{-7}$，对可忽略产量报告$>5\sigma$显著性水平。
• Belle MC模拟（经Belle数据调校）对数据的描述最佳，尤其在动量轴框架下；而Herwig 7.1.5在近侧和远离侧区域均表现出显著偏差。
• Sherpa 2.2.5和Pythia对数据的描述优于Herwig，与先前ALEPH数据分析结果一致。
• 在动量轴框架下，关联函数中近侧峰的强度与对撞能量强烈相关，表明存在能量依赖的喷注内关联。
• 探测器效应、道迹重建和背景减除带来的系统误差对最终不确定度预算的贡献均小于0.5%。