Measurement of forward jet suppression in Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}=5.02$$ TeV with the ATLAS detector

ملخص تقني: قياس كبح النفاثات الأمامية في تصادمات Pb+Pb عند طاقة $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ تيرالترون فولت

المشكلة والدوافع
يتيح تشكل بلازما الكوارك-غلوون (QGP) في تصادمات الأيونات الثقيلة فائقة النسبية دراسة فقدان طاقة البارتونات، والمعروف باسم "إخماد النفاثات" (jet quenching). وبينما تم قياس كبح النفاثات الشاملة باستفاضة عند السرعة الزاوية المتوسطة ($|y| \lesssim 2.8$)، لا تزال منطقة السرعة الزاوية الأمامية غير مستكشفة إلى حد كبير في تصادمات الأيونات الثقيلة. وتشير الاعتبارات النظرية إلى أن المنطقة الأمامية توفر بيئة حركية متميزة: حيث يُتوقع أن تزدัง نسبة النفاثات الناشئة عن الكواركات مع زيادة السرعة الزاوية، بينما تصبح أطياف البارتونات الأولية أكثر انحداراً. علاوة على ذلك، قد يؤدي التمدد الطولي لبلازما الكوارك-غلوون إلى كثافات وسط فعالة مختلفة واعتمادات مختلفة على طول المسار مقارنة بالسرعة الزاوية المتوسطة. وقد أظهرت القياسات السابقة عند السرعة الزاوية المتوسطة أن كبح النفاثات يعتمد على النكهة الأولية للبارتون (كوارك مقابل غلوون) ومدى انحدار الطيف. ومع ذلك، فإن فك الارتباط بين هذه العوامل يتطلب قياسات في مناطق حركية ذات تركيبات نكهات مختلفة. تعالج هذه الورقة النقص في البيانات المتعلقة بكبح النفاثات الشاملة في منطقة السرعة الزاوية الأمامية لتوفير قيود جديدة على اعتماد فقدان طاقة البارتونات على النكهة، والهندسة، وكثافة الوسط.

المنهجية
يستخدم التحليل البيانات التي جمعها كاشف ATLAS في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) خلال دورة التشغيل الثانية (Run 2). تتضمن مجموعة البيانات تصادمات Pb+Pb المسجلة في عام 2018 بلمعان متكامل قدره 1.72 نانو بارن$^{-1}$، وتصادمات $pp$من عام 2017 بلمعان قدره 255 بيكو بارن$^{-1}$، كلاهما عند طاقة مركز الكتلة للنواة-النواة تبلغ$\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ تيرالترون فولت.

• إعادة بناء النفاثات: يتم إعادة بناء النفاثات باستخدام خوارزمية anti-$k_t$ مع معامل نصف قطر $R=0.4$. يركز التحليل على فترتين للسرعة الزاوية الأمامية: $2.8 < |y| < 3.2$ و $3.2 < |y| < 3.6$. تم تطبيق عتبة زخم عرضي $p_T > 74$ جيجا إلكترون فولت لضمان كفاءة الإطلاق الكاملة وكبح المساهمات الناتجة عن تقلبات الحدث الأساسي (UE).
• تحديد المركزية: يتم تقدير مركزية الحدث في تصادمات Pb+Pb باستخدام إجمالي الطاقة العرضية في الكواشف الأمامية ($\Sigma E_{FCal}^T$)، المرتبطة بمحاكاة مونت كارلو غلاوبر (Monte Carlo Glauber). تم تحديد أربع فترات للمركزية: 0–10%، 10–20%، 20–50%، و 50–80%.
• طرح الخلفية والمعايرة: يتم طرح مساهمة الحدث الأساسي من إعادة بناء النفاثات على أساس كل حدث على حدة، مع مراعاة تعديل التدفق التوافقي. يتم تطبيق تصحيحات مقياس طاقة النفاثة (JES) ودقة طاقة النفاثة (JER). يتضمن مقياس طاقة النفاثة مكونات خاصة ببيئة الأيونات الثقيلة لمراعاة التعديلات المحتملة في أنماط تفتت النفاثة.
• إزالة الغموض (Unfolding): لتصحيح آثار دقة الكاشف والانتقال بين الفئات، تم استخدام طريقة "بايزيان" لإزالة الغموض أحادية البعد. تم إنشاء مصفوفات الاستجابة من أحداث النفاثات المزدوجة (dijet) المحاكات والمدمجة مع بيانات Pb+Pb ذات الحد الأدنى من التفاعل لنمذجة الحدث الأساسي بشكل واقعي.
• عامل التعديل النووي ($R_{AA}$): يتم حساب $R_{AA}$ كنسبة بين عائد النفاثة الموزون بـ $\langle T_{AA} \rangle$ في تصادمات Pb+Pb إلى مقطع عرضي للنفاثة في تصادمات $pp$.

المساهمات الرئيسية والنتائج
يقدم هذا العمل أول قياس لكبح النفاثات الشاملة عند السرعة الزاوية الأمامية في تصادمات الأيونات الثقيلة.

• ملاحظة الكبح: لوحظ كبح كبير في عوائد النفاثات في تصادمات Pb+Pb مقارنة بتصادمات $pp$ عبر جميع فترات المركزية ومناطق السرعة الزاوية المقاسة.
• الاعتماد على المركزية والزخم العرضي ($p_T$): تزداد قيمة $R_{AA}$ بشكل رتيب من التصادمات المركزية (0–10%) إلى التصادمات الطرفية (50–80%). يظهر الكبح اعتماداً طفيفاً على $p_T$ النفاثة، حيث تزداد قيم $R_{AA}$ عموماً مع زيادة $p_T$. ويظل الاعتماد على $p_T$ مشابهاً عبر مختلف فترات المركزية والسرعة الزاوية.
• مقارنة السرعة الزاوية:
  • في المنطقة $2.8 < |y| < 3.2$، تظهر قيم $R_{AA}$ المقاسة ميلاً لتكون أقل من القيم المقاسة في منطقة السرعة الزاوية المتوسطة ($|y| < 2.8$). وهذا يتوافق مع الاتجاهات المقترحة في قياسات السرعة الزاوية المتوسطة السابقة، وقد يعكس تغير تركيب النكهة (زيادة نسبة الكواركات) وانحدار الأطياف في السرعة الزاوية الأمامية.
  • في المنطقة الأكثر أمامية $3.2 < |y| < 3.6$، لا تكفي الدقة الإحصائية للقياس لإجراء مقارنة حاسمة مع منطقة $|y| < 2.8$.
• المقارنة النظرية: تمت مقارنة قيم $R_{AA}$ المقاسة مع ثلاثة نماذج نظرية: نموذج النقل البولتزماني الخطي (LBT)، والنموذج الهجين (Hybrid)، والنموذج البارامتري (Parametric).
  • يعيد نموذج LBT إنتاج شكل $R_{AA}$ ولكنه يقلل من تقدير مقدار الكبح.
  • يبالغ النموذج البارامتري في تقدير الكبح عند $p_T$ العالية.
  • يوفر النموذج الهجين أفضل توافق مع البيانات عند تضمين كل من تشتتات موليير (Molière scatterings) وأثر الاستيقاظ في الوسط (استجابة بلازما الكوارك-غلوون للطاقة المودعة).

الأهمية
تزعم الورقة أن هذه النتائج تشكل أول قياس لكبح النفاثات الشاملة في منطقة السرعة الزاوية الأمامية في تصادمات الأيونات الثقيلة. ومن خلال استكشاف نظام حركي يحتوي على مزيج مختلف من النفاثات الناشئة عن الكواركات والغلوونات، وكثافات وسط فعالة مختلفة، ومستويات مختلفة من تحيز الاختيار مقارنة بالسرعة الزاوية المتوسطة، توفر هذه القياسات قيوداً جديدة على الأوصاف النظرية لإخماد النفاثات. وتحديداً، تساعد البيانات في فك الارتباط بين اعتماد النكهة لفقدان طاقة البارتونات واعتماده على هندسة وكثافة بلازما الكوارك-غلوون المتمددة. وتعمل النتائج كمعيار للنماذج التي تحاول وصف التفاعل بين الآليات الاضطرابية وغير الاضطرابية في تفاعلات النفاثة مع الوسط.