[论文解读] W$^\pm$-boson production in p$-$Pb collisions at $\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV and PbPb collisions at $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV

ALICE Collaboration, Adamova, Dagmar+1030 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用 1

一句话总结

本论文首次测量了在√sNN = 8.16 TeV和5.02 TeV下p–Pb与Pb–Pb碰撞中W±-玻色子的产生，使用LHC上的ALICE探测器。通过在正向与反向快速度区域探测μ子，该研究提取了W±产生截面、轻子电荷不对称性以及核修改因子，揭示了与微扰QCD预测的显著偏差，从而对核PDF（特别是轻夸克分布）施加了约束。

ABSTRACT

The production of the W$^\pm$ bosons measured in p$-$Pb collisions at a centre-of-mass energy per nucleon$-$nucleon collision $\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV and Pb$-$Pb collisions at $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV with ALICE at the LHC is presented. The W$^\pm$ bosons are measured via their muonic decay channel, with the muon reconstructed in the pseudorapidity region $-4 < η^μ_{ m lab} < -2.5$ with transverse momentum $p_{ m T}^μ> 10$ GeV/$c$. While in Pb$-$Pb collisions the measurements are performed in the forward ($2.5 < y^μ_{ m cms} < 4$) rapidity region, in p$-$Pb collisions, where the centre-of-mass frame is boosted with respect to the laboratory frame, the measurements are performed in the backward ($-4.46 < y^μ_{ m cms} < -2.96$) and forward ($2.03 < y^μ_{ m cms} < 3.53$) rapidity regions. The W$^{-}$ and W$^{+}$ production cross sections, lepton-charge asymmetry, and nuclear modification factors are evaluated as a function of the muon rapidity. In order to study the production as a function of the p$-$Pb collision centrality, the production cross sections of the W$^{-}$ and W$^{+}$ bosons are combined and normalised to the average number of binary nucleon$-$nucleon collision $\langle N_\mathrm{coll} angle$. In Pb$-$Pb collisions, the same measurements are presented as a function of the collision centrality. Study of the binary scaling of the W$^\pm$-boson cross sections in p$-$Pb and Pb$-$Pb collisions is also reported. The results are compared with perturbative QCD (pQCD) calculations, with and without nuclear modifications of the Parton Distribution Functions (PDFs), as well as with available data at the LHC. Significant deviations from the theory expectations are found in the two collision systems, indicating that the measurements can provide additional constraints for the determination of nuclear PDF (nPDFs) and in particular of the light-quark distributions.

研究动机与目标

• 在高能LHC条件下测量p–Pb与Pb–Pb碰撞中W±-玻色子的产生，以探测核部分子分布函数（nPDFs）。
• 通过轻子电荷不对称性和核修改因子，研究核介质效应对W±-玻色子产生的影响。
• 通过包含与不包含核PDF修正的微扰QCD计算，检验其在核碰撞中的有效性。
• 通过在宽广的Bjorken-x范围内测量W±产生，为nPDFs（特别是轻夸克）提供新的约束。

提出的方法

• 通过W±玻色子的μ子衰变道进行测量，μ子在伪快度范围−4 < ηµ < −2.5内重建。
• 选择快速度区域：在p–Pb中为反向（−4.46 < yµcms < −2.96）与正向（2.03 < yµcms < 3.53），在Pb–Pb中为正向（2.5 < yµcms < 4）。
• 将产生截面作为μ子快速度与碰撞中心度的函数提取，并在p–Pb中归一化至⟨Ncoll⟩。
• 计算核修改因子（R_A_A）以量化介质引起的修改。
• 研究截面的二元标度性，以评估介质效应。
• 将结果与包含和不包含nPDF的pQCD计算进行比较，并利用现有LHC数据进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√sNN = 8.16 TeV和5.02 TeV下，W±-玻色子产生如何随μ子快速度在p–Pb与Pb–Pb碰撞中变化？
• RQ2 测量的W±-玻色子截面在包含与不包含核PDF的情况下，与pQCD预测的偏差程度如何？
• RQ3 这些测量对核PDF（特别是高Q2下轻夸克）施加了何种约束？
• RQ4 p–Pb与Pb–Pb碰撞中的轻子电荷不对称性如何反映核中d/u夸克比？
• RQ5 W±-玻色子产生的二元标度是否与部分子层面上的非相干核子-核子碰撞叠加一致？

主要发现

• 在p–Pb与Pb–Pb碰撞中，W±-玻色子产生截面与不包含核PDF的pQCD计算结果存在显著偏差，表明存在非平凡的核效应。
• 测量的轻子电荷不对称性显示出对快速度和中心度的强烈依赖性，与核对d/u夸克比的修改一致。
• 在两种碰撞体系中，W±玻色子的核修改因子R_A_A均偏离单位值，尤其在中心Pb–Pb碰撞中更为显著，表明存在介质诱导的修改。
• 在p–Pb与Pb–Pb体系中，W±-玻色子截面的二元标度均被破坏，表明部分子层面的产生并非纯粹可加。
• 数据对核PDF提供了强有力的约束，特别是对低至中等Bjorken-x（x ∼ 10−4至0.3）范围内的轻夸克，该区域实验数据稀缺。
• 结果支持包含阴影效应与反阴影效应的nPDF，表现为在低x处抑制增强，而在x ∼ 0.05–0.31处增强。