[论文解读] Top-Quark Pair Production in Heavy-Ion Collisions in the ATLAS Experiment

Patrycja Potępa|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2026

High-Energy Particle Collisions Research被引用 0

一句话总结

ATLAS 在 p+Pb 与 Pb+Pb 碰撞中观测并测量 tt̄ 对产生，提供横截面与核修正因子，首次观测 Pb+Pb 中 tt̄，以及 p+Pb 中 tt̄ 的 RpA。

ABSTRACT

Top-quark pair production in heavy-ion collisions provides a unique opportunity to probe nuclear parton distribution functions and study the time evolution of strongly interacting matter, including the quark-gluon plasma. This work presents the observation and measurement of top-quark pair production in both proton--lead (p+Pb) and lead--lead (Pb+Pb) collisions using the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC). In p+Pb collisions at a centre-of-mass energy of 8.16 TeV, top-quark pair production is observed in the lepton+jets and dilepton channels, with significances exceeding 5 standard deviations in each channel. The nuclear modification factor, $R_{p\mathrm{A}}$, is measured for the first time in this process, providing new insights into nuclear parton distribution functions. In Pb+Pb collisions at a centre-of-mass energy of 5.02 TeV, top-quark pair production is studied in the ($eμ$) final state, using datasets recorded in 2015 and 2018 with an integrated luminosity of 1.9 nb$^{-1}$. The measurement achieves a significance of 5.0 standard deviations and is compared to theoretical predictions based on various nuclear PDF sets. These measurements establish top-quark pairs as valuable tools for investigating heavy-ion collisions, offering novel insights into the dynamics of the quark-gluon plasma and nuclear matter.

研究动机与目标

• 在一个约束较少的运动学区间通过 p+Pb 中 tt̄ 产生来探测核部分布函数(nPDFs)。
• 通过 tt̄ 事件研究重离子碰撞中的量子色动力学等离子体(QGP)的时间演化与性质。
• 在 p+Pb 中提供 tt̄ 横截面的高精度测量及核修正因子 RpA，并在 Pb+Pb 中观测 tt̄ 产生。
• 将结果与四个 nPDF 集以及其他实验的预测进行比较，以在核环境中检验 QCD。

提出的方法

• 在 p+Pb 中使用无辜子通道的 lepton+jets 与 dilepton 通道重建 tt̄ 事件，在 Pb+Pb 中使用 eμ 通道。
• 使用 H_T^ℓj 定义信号区并进行轮廓似然拟合以提取 tt̄ 的信号强度 μ_tt̄。
• 将 μ_tt̄ 转换为在 √sNN=8.16 TeV 的 p+Pb 与 5.02 TeV 的 Pb+Pb 的总体 tt̄ 横截面。
• 将 p+Pb 中的 tt̄ 横截面除以 pp 参考值并按 Pb 的原子数进行缩放以得到 RpA，并与预测进行比较。
• 利用数据驱动的背景估计（如用于假 leptons 的矩阵方法）和 DL1r b-jet 标记。
• 将测量结果与四个 nPDF 集（TUJU21、nNNPDF3.0、nCTEQ15HQ、EPPS21）的预测进行比较。

(a)

实验结果

研究问题

• RQ1 8.16 TeV 下 p+Pb 碰撞中的 inclusive tt̄ 产生横截面是多少？
• RQ2 p+Pb 中 tt̄ 的核修正因子 RpA 是否与按 pp 的缩放 expectation 一致？
• RQ3 5.02 TeV Pb+Pb 碰撞中 tt̄ 的观测是否具有高显著性，测得的横截面是否与预测相符？
• RQ4 tt̄ 测量是否在高 Bjorken-x 区间对 nPDFs 进行约束并揭示 QGP 的时间演化？
• RQ5 ATLAS 在重离子碰撞中的 tt̄ 结果与 CMS 和 pp 结果以及不同 nPDF 集的比较怎样？

主要发现

• 在 8.16 TeV 的 p+Pb 中，tt̄ 横截面为 58.1 ± 2.0 (统计) +4.8 −4.4 (系统) nb（58.1 +5.2 −4.9 (总) nb）。
• p+Pb 中 tt̄ 的 RpA 为 1.090 ± 0.039 (统计) +0.094 −0.087 (系统) = 1.090 ± 0.100 (总)。
• p+Pb 通道中 tt̄ 的观测显著性在每个通道（lepton+jets 与 dilepton）均超过 5σ。
• Pb+Pb 5.02 TeV 下 tt̄ 横截面为 3.6 +1.0 −0.9 (统计) +0.8 −0.5 (系统) μb（3.6 +1.2 −1.0 (总) μb）。
• Pb+Pb 中 tt̄ 的观测显著性为 5.0σ（首次观测）。
• 结果与四个 nPDF 集（TUJU21、nNNPDF3.0、nCTEQ15HQ、EPPS21）的预测，以及在适当缩放后的 CMS/pp 参考结果一致。

(b)