[论文解读] $Z^0$ boson associated b-jet production in high-energy nuclear collisions

Sa Wang, Wei Dai+2 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2020

High-Energy Particle Collisions Research被引用 4

一句话总结

本研究首次利用带有流体动力学背景的蒙特卡洛输运模型，对Pb+Pb碰撞中Z⁰玻色子标记的b夸克喷注产生进行了理论研究。结果表明，b喷注在方位角角相关性抑制方面表现更弱，且核修饰因子（I_{AA}）更大，表明在夸克-胶子等离子体中由于质量效应导致能量损失减少，从而为喷注淬火的质量层次提供了一个清晰的探针。

ABSTRACT

The production of vector boson tagged heavy quark jets potentially provides new tools to probe the jet quenching effect. In this paper, we present the first theoretical study on the angular correlations ($Δϕ_{bZ}$), transverse momentum imbalance ($x_{bZ}$), and nuclear modification factor ($I_{AA}$) of $Z^0$ boson tagged b-jets in heavy-ion collisions, which was performed using a Monte Carlo transport model. We find that the medium modification of the $Δϕ_{bZ}$ for $Z^0\,+\,$b-jet has a weaker dependence on $Δϕ_{bZ}$ than that for $Z^0\,+\,$jet, and the modification patterns are sensitive to the initial jet $p_T$ distribution. Additionally, with the high purity of the quark jet in $Z^0\,+\,$(b-)jet production, we calculate the momentum imbalance $x_{bZ}$ and the nuclear modification factor $I_{AA}$ of $Z^0\,+\,$b-jet in Pb+Pb collisions. We observe a smaller $Δ\left\langle x_{jZ} ight angle$ and larger $I_{AA}$ of $Z^0\,+\,$b-jet in Pb+Pb collisions relative to those of $Z^0\,+\,$jet, which may be an indication of the mass effect of jet quenching and can be tested in future measurements.

研究动机与目标

• 研究Z⁰玻色子标记的b喷注在Pb+Pb碰撞中的介质修饰，作为喷注淬火的探针。
• 比较Z⁰+喷注与Z⁰+b喷注系统的介质行为，以分离质量效应对能量损失的影响。
• 分析在√s_{NN} = 5.02 TeV的中心Pb+Pb碰撞中，方位角角相关性（Δϕ_{bZ}）、动量不平衡（x_{bZ}）和核修饰因子（I_{AA}）。
• 基于Z⁰玻色子实现高纯度夸克喷注标记，为未来LHC测量提供可检验的预测。
• 通过比较轻夸克与重夸克喷注的抑制模式，澄清喷注淬火质量层次的未解之谜。

提出的方法

• 使用包含弹性与非弹性喷注-介质相互作用的蒙特卡洛输运模型，在流体动力学背景下模拟喷注在夸克-胶子等离子体中的演化。
• 采用NLO+PS事件生成器SHERPA生成Z⁰+b喷注产生的p+p基准数据，并与CMS实验数据验证。
• 模拟了在√s_{NN} = 5.02 TeV下0–10%中心Pb+Pb碰撞中的Z⁰+喷注与Z⁰+b喷注产生。
• 计算方位角角相关性Δϕ_{bZ}与动量不平衡x_{bZ}，以探测喷注-介质相互作用。
• 计算核修饰因子I_{AA}，以量化介质引起的喷注产额抑制。
• 分析介质修饰对初始喷注p_T分布与Z⁰玻色子横动量的依赖性。

Figure 2: Differential cross section of $Z^{0}\,+\,$ b-jet simulated by SHERPA (blue line) in the p+p collision at $\sqrt{s}=8$ TeV as a function of transverse momentum of the highest- $p_{T}$ b-jet (upper panel) and the transverse momentum of the $Z^{0}$ boson (bottom panel) compared with the CMS d

实验结果

研究问题

• RQ1 Z⁰+b喷注中Δϕ_{bZ}的介质修饰与Z⁰+喷注相比如何？这揭示了关于喷注-介质相互作用的何种信息？
• RQ2 喷注的初始p_T分布在多大程度上影响角相关性中观察到的介质修饰？
• RQ3 Z⁰+b喷注系统的I_{AA}是否小于Z⁰+喷注，表明由于b夸克质量导致的能量损失减少？
• RQ4 动量不平衡x_{bZ}能否作为区分轻夸克与重夸克喷注淬火的敏感可观测量？
• RQ5 Z⁰+b喷注与Z⁰+喷注的抑制模式之间是否存在可测量的差异，以确认喷注淬火中的质量效应？

主要发现

• 由于b夸克标记抑制了多喷注贡献，Z⁰+b喷注中Δϕ_{bZ}的抑制对方位角的依赖性弱于Z⁰+喷注。
• p+p碰撞中喷注的初始p_T分布强烈影响Pb+Pb碰撞中Δϕ_{bZ}的介质修饰模式。
• 动量不平衡x_{bZ}在Z⁰+喷注中表现出比Z⁰+b喷注更大的偏移，表明轻夸克喷注的能量损失更强。
• 在所有p_T区域，Z⁰+喷注的核修饰因子I_{AA}均小于Z⁰+b喷注，证实b喷注的抑制程度更低。
• 在高Z⁰ p_T区域（80–120 GeV），由于截面陡度增强与介质中p_T的位移，在低喷注p_T区域，Z⁰+喷注的I_{AA}超过1。
• 结果支持喷注淬火中存在质量效应，b喷注的能量损失小于轻夸克喷注，与近期ATLAS测量结果一致。

Figure 3: Differential cross section of $Z^{0}\,+\,$ b-jet simulated by SHERPA (blue line) in the p+p collision at $\sqrt{s}=8$ TeV as a function of azimuthal angular difference $\Delta\phi_{bZ}=|\phi_{b}-\phi_{Z}|$ of $Z^{0}$ boson and b-jet (upper panel) and the azimuthal angular difference $\Delt