[论文解读] Particle rapidity distribution in proton-nucleus collisions using the proton-contributor reference frame

G. Mart́inez Garćia|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2014

High-Energy Particle Collisions Research被引用 3

一句话总结

本文提出了质子贡献者参考系（proton-contributor reference frame）以解释 p–A 碰撞中粒子快度分布的对称性。该参考系以质子与原子核中参与碰撞的核子的质心系为中心，使得粒子快度分布相对于该系对称。通过假设这些分布的形状与 pp 碰撞中的相同，但整体向质子-核子系与质子贡献者系之间的快度差 Δy_pN-pC 移位，该模型定性地解释了在 √sNN = 5.02 TeV 下 p–Pb 碰撞中带电粒子、J/ψ 和 Z 玻色子的快度分布。

ABSTRACT

I define the proton-contributor reference frame in proton nucleus (p--A) collisions as the center of mass of the system formed by the proton and the participant nucleons of the nucleus. Assuming that the rapidity distribution of produced particles is symmetric in the proton-contributor reference frame, several measurements in p-Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}} = 5.02 { m TeV}$ can be described qualitatively. These include rapidity distributions of charged particles, $J/ψ$ and Z bosons.

研究动机与目标

• 为解决在 p–A 碰撞中缺乏明确的快度分布参考系的问题，因为在 pp 或 AA 系统中对称性是自然定义的。
• 解决在 LHC 能量下 p–Pb 碰撞中带电粒子、J/ψ 和 Z 玻色子快度分布中观测到的不对称性。
• 通过引入质子与所有参与碰撞的核子构成的质子贡献者系统，提出一种替代核子-核子质心系的参考系。
• 使用单一参考系，为 p–Pb 碰撞中随中心度变化的粒子产额和前后向比值提供唯象学解释。
• 基于质子-核子系与质子贡献者系之间的快度差，提出新的实验可观测量。

提出的方法

• 将质子贡献者（pC）系统定义为质子与原子核中所有参与碰撞核子的质心系，利用 Glauber 模型计算其质量和动量。
• 使用相对论运动学计算 pC 系统在实验室系中的快度：y_pC = tanh⁻¹(p_pC / E_pC)，其中 p_pC 和 E_pC 分别为 pC 系统的总动量和总能量。
• 假设 p–A 碰撞中产生粒子的快度分布形状与 pp 碰撞中相同，但整体向质子-核子系与质子贡献者系之间的快度差 Δy_pN-pC 移位。
• 使用公式 dN_probe_pA/dy(y) = N × dN_probe_pp/dy(y - Δy_pN-pC) 来建模粒子产额，其中 N 为归一化因子。
• 通过质子-核子系快度 y_pN 和 pC 系快度 y_pC 计算 Δy_pN-pC，其中在最小截面 p–Pb 碰撞中 y_pC ≈ -0.430（⟨N_coll⟩ ≈ 6）。
• 将模型预测与 ATLAS、ALICE 和 CMS 的实验数据进行比较，包括带电粒子伪快度比、J/ψ 抑制/增强以及 Z 玻色子前后向比值。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一参考系是否能够解释在 √sNN = 5.02 TeV 下 p–Pb 碰撞中多种粒子种类的观测快度分布？
• RQ2 将质子贡献者系定义为质子与参与碰撞核子的质心系，是否能比质子-核子系更好地描述粒子产生？
• RQ3 为何在 p–Pb 碰撞中 Z 玻色子的快度分布在实验系中以 y ≈ -0.430 为中心？这一现象能否通过 pC 系中的对称分布来解释？
• RQ4 快度差 Δy_pN-pC 如何影响 p–Pb 碰撞中观测到的 Z 玻色子前后向比值？
• RQ5 通过假设在 pC 系中快度分布对称，是否能够解释观测到的带电粒子产额的中心度依赖性？

主要发现

• 在最小截面 p–Pb 碰撞中，质子贡献者参考系的快度 y_pC ≈ -0.430 与实验测量到的 Z 玻色子快度分布峰值位置一致。
• 该模型成功解释了 ATLAS 测量的带电粒子伪快度比的中心度依赖性，即在中心事件中分布向更负的快度移动。
• ALICE 数据中观测到的前向快度区 J/ψ 抑制与后向快度区增强现象，可通过假设在 pC 系中快度分布对称而定性重现。
• CMS 测量的 Z 玻色子前后向比值可通过将标准的 pp 类似快度分布向 pC 系移位而良好再现，其中 Δy_pN-pC ≈ 0.895。
• 预测的以 y_pC ≈ -0.430 为中心的 Z 玻色子快度分布与实验观测到的在实验系中 y ≈ -0.430 处的峰值完全一致。
• 该模型提出一个新的核子效应因子 R^pC_pA(y) = Y_pA(y) / ⟨N_coll⟩ × Y_pp(y - Δy_pN-pC)，可作为检验 pC 参考系假设的新可观测量。