[论文解读] Upcgen: a Monte Carlo simulation program for dilepton pair production in ultra-peripheral collisions of heavy ions

N. Burmasov, E. Kryshen+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用 13

一句话总结

Upcgen 是一种用于研究重离子超外围碰撞中双轻子对产生过程的蒙特卡洛事件生成器，通过采用真实的核形式因子改进了光子通量计算，并考虑了光子极化效应。该工具可实现对双轻子及双tau子产生的精确模拟，支持对轻子异常磁矩的可调参数设置，显著提升了在大快度区域与ATLAS实验数据的一致性，并为未来精确测量tau轻子异常磁矩提供了支持。

ABSTRACT

Ultra-peripheral collisions (UPCs) of heavy ions can be used as a clean environment to study two-photon induced interactions such as dilepton pair photoproduction. Recently, precise data on lepton pair production in UPCs were obtained by the ATLAS experiment at the LHC where significant deviations, of up to 20%, from available theoretical predictions were observed. In this work, we present a Monte Carlo event generator, Upcgen, that implements a refined treatment of the photon flux allowing us to improve the agreement with ATLAS data at large dilepton rapidities. Besides, the new generator offers a possibility to study photon polarization effects and set arbitrary values of the lepton anomalous magnetic moment that can be used in the future studies of tau g-2 via ditau production measurements in UPCs.

研究动机与目标

• 解决理论预测与ATLAS实验数据在超外围碰撞（UPCs）中双轻子产生过程之间存在的显著差异（最高达20%）。
• 通过使用真实的核形式因子（包括小碰撞参数贡献）改进光子通量计算，提升两光子相互作用的理论建模精度。
• 实现对任意异常磁矩值的轻子对双轻子产生过程的精确模拟，尤其支持未来对tau轻子异常磁矩的测量。
• 引入光子极化效应，其对双轻子截面（尤其在大快度区域）有显著影响。
• 通过提供灵活、开源的工具，支持LHC运行3和运行4中的高精度研究，用于稀有过程的本底估计与灵敏度分析。

提出的方法

• 采用广义顶点形式化方法，计算具有任意终态轻子异常磁矩值的初态γγ → ℓℓ截面。
• 通过基于真实核形式因子（Woods-Saxon分布）的改进光子通量处理方法，计算双光子亮度，包括小碰撞参数区域的贡献。
• 将二维双光子亮度直方图缓存至ROOT文件中，以优化性能，因该计算过程计算量极大。
• 采用蒙特卡洛事件生成方法，根据折叠截面采样双轻子对的运动学变量（质量、快度、横动量）。
• 支持使用Pythia8或Pythia6模拟末态辐射与衰变，尤其适用于tau轻子衰变。
• 提供可配置的输入参数，用于调节核种类、质心系能量、运动学截断条件及极化效应，并支持可重现的随机种子。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过使用真实核形式因子对光子通量进行精细化处理，是否能减少在大快度区域Pb–Pb超外围碰撞中，双μ子产生过程的理论预测与ATLAS数据之间的差异？
• RQ2 光子极化效应在超外围碰撞中对双轻子对产生截面的影响程度如何，尤其在大快度区域？
• RQ3 Upcgen生成器在模拟具有任意异常磁矩值的双轻子产生过程时，其精度如何，特别是在tau轻子对产生方面？
• RQ4 与现有生成器（如STARlight和SuperChic）相比，包含小碰撞参数区域贡献（bγ < RA）对预测截面的影响如何？
• RQ5 Upcgen能否作为未来LHC实验中tau轻子异常磁矩灵敏度研究的可靠工具？

主要发现

• Upcgen显著改善了在大快度区域Pb–Pb超外围碰撞中双μ子产生过程与ATLAS数据的一致性，解决了此前模拟中高达20%的偏差。
• 此前在STARlight中被忽略的小碰撞参数区域（bγ < RA）的光子发射贡献，现被纳入计算，使双轻子截面的描述更加准确。
• 研究结果表明，光子极化效应对微分截面有不可忽略的影响，尤其在大快度区域，该效应现已被整合至生成器中。
• 该生成器可精确模拟具有任意异常磁矩值的双tau子对产生过程，为未来tau轻子g−2的灵敏度研究提供了支持。
• 通过使用缓存的二维亮度直方图，显著提升了计算效率，使大规模事件生成具备高统计精度成为可能。