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

Sintesi Tecnica: Misurazione della Soppressione dei Jet Forward nelle Collisioni Pb+Pb a $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV

Problema e Motivazione
La formazione di un plasma di quark e gluoni (QGP) in collisioni di ioni pesanti ultrarelativistiche permette lo studio della perdita di energia dei partoni, nota come jet quenching. Sebbene la soppressione dei jet inclusivi sia stata ampiamente misurata in rapidità intermedia ($|y| \lesssim 2.8$), la regione di rapidità forward rimane in gran parte inesplorata nelle collisioni di ioni pesanti. Considerazioni teoriche suggeriscono che la regione forward offra un ambiente cinematico distinto: la frazione di jet originati da quark si prevede aumenti con la rapidità, mentre gli spettri iniziali dei partoni diventano più ripidi. Inoltre, l'espansione longitudinale del QGP può risultare in densità del mezzo efficace e dipendenze dal cammino ottico differenti rispetto alla rapidità intermedia. Misurazioni precedenti a rapidità intermedia hanno mostrato che la soppressione dei jet dipende dal sapore iniziale del partone (quark vs gluon) e dalla pendenza dello spettro. Tuttavia, separare questi fattori richiede misurazioni in regioni cinematiche con diverse composizioni di sapore. Questo articolo affronta la mancanza di dati sulla soppressione dei jet inclusivi nella regione di rapidità forward per fornire nuovi vincoli sulla dipendenza dal sapore, dalla geometria e dalla densità del mezzo della perdita di energia dei partoni.

Metodologia
L'analisi utilizza i dati raccolti dal rivelatore ATLAS all'LHC durante la Run 2. Il dataset include collisioni Pb+Pb registrate nel 2018 con una luminosità integrata di 1.72 nb$^{-1}$, e collisioni $pp$ del 2017 con 255 pb$^{-1}$, entrambe a un'energia nel centro di massa nucleone-nucleone di $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV.

• Ricostruzione dei Jet: I jet sono ricostruiti utilizzando l'algoritmo anti-$k_t$ con un parametro di raggio $R=0.4$. L'analisi si concentra su due intervalli di rapidità forward: $2.8 < |y| < 3.2$ e $3.2 < |y| < 3.6$. Viene applicata una soglia di momento trasverso di $p_T > 74$ GeV per garantire la piena efficienza di trigger e per sopprimere i contributi dalle fluttuazioni dell'evento sottostante (UE).
• Determinazione della Centralità: La centralità degli eventi nelle collisioni Pb+Pb è stimata utilizzando l'energia trasversa totale nei calorimetri forward ($\Sigma E_{FCal}^T$), correlata a una simulazione Monte Carlo Glauber. Sono definiti quattro intervalli di centralità: 0–10%, 10–20%, 20–50% e 50–80%.
• Sottrazione del Background e Calibrazione: Il contributo dell'evento sottostante alla ricostruzione del jet viene sottratto su base evento per evento, tenendo conto della modulazione del flusso armonico. Vengono applicate correzioni per la scala dell'energia del jet (JES) e per la risoluzione dell'energia del jet (JER). La JES include componenti specifiche per l'ambiente di ioni pesanti per tenere conto delle potenziali modifiche nei pattern di frammentazione dei jet.
• Unfolding (Sconvolgimento): Per correggere gli effetti di risoluzione del rivelatore e la migrazione tra i bin, viene utilizzato un metodo di unfolding bayesiano monodimensionale. Le matrici di risposta sono costruite da eventi di dijet simulati sovrapposti a dati Pb+Pb di minimo bias per modellare realisticamente l'UE.
• Fattore di Modificazione Nucleare ($R_{AA}$): L'$R_{AA}$ è calcolato come il rapporto tra la resa dei jet normalizzata a $\langle T_{AA} \rangle$ nelle collisioni Pb+Pb e la sezione d'urto dei jet nelle collisioni $pp$.

Contributi Chiave e Risultati
Questo lavoro presenta la prima misurazione della soppressione dei jet inclusivi a rapidità forward nelle collisioni di oni pesanti.

• Osservazione della Soppressione: Si osserva una significativa soppressione delle rese dei jet nelle collisioni Pb+Pb rispetto alle collisioni $pp$ in tutti gli intervalli di centralità e regioni di rapidità misurati.
• Dipendenza da Centralità e $p_T$: L'entità di $R_{AA}$ aumenta monotonicamente dalle collisioni centrali (0–10%) a quelle periferiche (50–80%). La soppressione mostra una debole dipendenza dal $p_T$ del jet, con valori di $R_{AA}$ che generalmente aumentano con $p_T$. La dipendenza dal $p_T$ rimane comparabile tra i diversi intervalli di centralità e rapidità.
• Confronto di Rapidità:
  • Nella regione $2.8 < |y| < 3.2$, i valori di $R_{AA}$ misurati mostrano una tendenza a essere inferiori rispetto a quelli misurati nella regione di rapidità intermedia ($|y| < 2.8$). Ciò è coerente con i trend suggeriti da precedenti misurazioni a rapidità intermedia e può riflettere il cambiamento della composizione di sapore (aumento della frazione di quark) e gli spettri più ripidi a rapidità forward.
  • Nella regione più forward $3.2 < |y| < 3.6$, la precisione statistica della misura è insufficiente per trarre un confronto conclusivo con la regione $|y| < 2.8$.
• Confronto Teorico: I valori di $R_{AA}$ misurati sono confrontati con tre modelli teorici: il modello Linear Boltzmann Transport (LBT), il modello Hybrid e un Modello Parametrico.
  • Il modello LBT riproduce la forma di $R_{AA}$, ma sottostima l'entità della soppressione.
  • Il Modello Parametrico sovrastima la soppressione ad alto $p_T$.
  • Il modello Hybrid fornisce il miglior accordo con i dati quando vengono inclusi sia gli scattering di Molière che la scia del mezzo (la risposta del QGP all'energia depositata).

Significatività
L'articolo afferma che questi risultati costituiscono la prima misura della soppressione dei jet inclusivi nella regione di rapidità forward nelle collisioni di ioni pesanti. Sondando un regime cinematico con diversi mix di jet iniziati da quark e gluon, potenzialmente diverse densità del mezzo efficace e diversi livelli di bias di selezione rispetto alla rapidità intermedia, queste misurazioni forniscono nuovi vincoli alle descrizioni teoriche del jet quenching. Nello specifico, i dati aiutano a separare la dipendenza dal sapore della perdita di energia dei partoni e la sua dipendenza dalla geometria e dalla densità dell'espansione del QGP. I risultati fungono da benchmark per i modelli che tentano di descrivere l'interazione tra meccanismi perturbativi e non perturbativi nelle interazioni jet-mezzo.