Evidence for J/$\psi$ suppression in incoherent photonuclear production

技術要約：非コヒーレント光核生成における $J/\psi$ 抑制の証拠

問題と背景
量子色力学（QCD）は、十分に高いエネルギーにおいて、ハドロンの構造がグルオンの分裂と再結合の間の動的な平衡状態、すなわちグルオン飽和と呼ばれる現象に達することを予測している。深非弾性散乱は、高エネルギー相互作用がグルオンによって支配されていることを確立してきたが、飽和の実験的証拠は依然として捉えにくい。なぜなら、現在の観測量は、飽和効果を欠くモデル（例：線形遮蔽モデル）によっても説明できてしまうためである。

回折的 $J/\psi$ ベクトル粒子の光生成は、この現象に対する重要なプローブとなる。超周辺衝突（UPC）において、一方の原子核から放出される準実フォトンの揺らぎによってチャーム・反チャーム対が生成され、それが少なくとも2つのグルオンを介して標的原子核と相互作用することで $J/\psi$ が形成される。この過程は、標的内のグルオン密度に対して敏感である。この相互作用は、コヒーレント（光子が原子核全体と相互作用し、原子核を無傷のまま残す）または非コヒーレント（光子が単一の核子と相互作用し、原子核を崩壊させる）のいずれかとなる。マンデルスタム変数 $|t|$ は、四元運動量の転移の二乗に関連しており、インパクトパラメータのフーリエ変換として機能する。これにより、異なる空間スケールにおけるグルオン分布の探索が可能となる。すなわち、低い $|t|$ は大きな空間スケルに対応し、高い $|t|$ はサブ核子的構造を探索する。

LHCおよびRHICにおける先行のコヒーレント $J/\psi$ 生成の測定は、飽和モデルと遮蔽モデルの両方によって良好に記述されてきたため、これら2つの理論的枠組みを区別することは困難であった。さらに、非コヒーレント生成の $|t|$ 依存性は最近固定エネルギーで測定されたが、異なる $|t|$ 区間における非コヒーレント生成のエネルギー依存性は確立されていなかった。

手法
ALICEコラボレーションは、2018年秋に記録された $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV の Pb–Pb 衝突を解析した。本研究は、鉛イオンに対する非コヒーレント光核生成による $J/\psi$ メソンの生成に焦点を当てている。解析は、光子–鉛系の核子あたりの重心エネルギー ($W_{\gamma Pb,n}$) が 20 GeV から 633 GeV の範囲をカバーしている。

主な手法ステップは以下の通りである：

• イベント選択: $\mu^+\mu^-$ 対への崩壊による $J/\psi$ メソンの再構成を通じてイベントを選択した。ミューオンは、中央バレル（$|y| < 0.8$）または前方ミューオン分光器（$2.5 < |y| < 4$）のいずれかで検出された。
• UPCの特定: 標的原子核の崩壊から生じる中性子をゼロ度カロリメータ（ZDC）で検出することにより、入射鉛核の方向を決定した。ベト検出器（ADおよびV0）を使用して、他のラピディティにおける追加の活動がないことを確認し、UPCを孤立させた。
• 運動学的ビニング: 断面積は、3つの $|t|$ 区間、すなわち $(0.09 < |t| < 0.36)$ GeV$^2$、$(0.36 < |t| < 0.81)$ GeV$^2$、および $(0.81 < |t| < 1.44)$ GeV$^2$ において微分的に測定された。各区間に対して4つの異なる $W_{\gamma Pb,n}$ 値がサンプリングされた。
• 収量抽出: $J/\psi$ の収量は、$\mu^+\mu^-$ 対の不変質量分布に対するアンビンンド拡張最大尤度フィットを用いて抽出された。コヒーレント生成、$\psi(2S)$ からのフィードダウン、および非共鳴バックグラウンドの寄与は、モデル化および減算された。
• 補正と効率: 受容性と効率は、再重み付けされたSTARlight モンテカルロシミュレーションを用いて補正された。中性子検出効率およびZDCにおけるパイロット効果は、データ駆動型の手法およびポアソンモデルを用いて考慮された。

主要な貢献
本研究は、両方の $W_{\gamma Pb,n}$ と $|t|$ の関数としての、非コヒーレント $J/\psi$ 光核生成断面積の最初の多微分測定を提示するものである。エネルギー範囲を 633 GeV まで拡張し、3つの異なる $|t|$ ビンを解析することで、本研究は、異なる空間スケールにおける非コヒーレント生成のエネルギー進化をテストするためのユニークなデータセットを提供する。

結果
測定された断面積は、$|t|$ の範囲に応じて明確なエネルギー依存性を示す：

• 低 $|t|$ ($0.09 < |t| < 0.36$ GeV$^2$): 断面積はエネルギーの増加とともに目に見えて増加する。
• 中間 $|t|$ ($0.36 < |t| < 0.81$ GeV$^2$): 同様の、しかしより緩やかな増加傾向が観察される。
• 高 $|t|$ ($0.81 < |t| < 1.44$ GeV$^2$): 断面積はエネルギーとともに最初は上昇するが、極大に達した後、最高エネルギー ($W_{\gamma Pb,n} \approx 633$ GeV) では成長が停止する。

この挙動を定量化するために、異なる $|t|$ 区間間の断面積比（$W_{\gamma Pb,n} = 20$ GeV で 1 に正規化）が算出された。最高エネルギーかつ高 $|t|$ において、この比は $0.52 \pm 0.13$ であり、これは低 $|t|$ と比較して、大きな $|t|$ における成長率の抑制を表しており、3標準偏差以上の有意性を持っている。

モデルとの比較
データは理論予測と比較された：

• 遮蔽モデル: Guzeyらによる、多重散乱を通じて遮蔽を記述するリーディング・ツイスト近似（LTA）モデルは、コヒーレント生成をうまく記述できるが、非コヒーレントのデータには適合しない。このモデルは高エネルギーかつ高 $|t|$ における継続的な上昇を予測しており、大きな $|t|$ の範囲においてデータから4標準偏差以上逸脱している。
• 飽和モデル: 2つの飽和ベースのモデルがテストされた：
  • Cepilaらによる「ホットスポット」モデルは、重なり合うホットスポットの幾何学的効果を取り入れており、高エネルギーかつ高 $|t|$ における断面積の減少を予測する。これはデータと定性的に一致するが、差は約2.5標準偏差である。
  • Mäntysaariらによる、核子の形状ゆらぎに基づくJIMWLK方程式を用いたモデルは、$|t|$ が増加するにつれて指数が減少する冪乗則挙動を予測する。このモデルは、すべての範囲において約2標準偏差以内でデータと一致している。

意義
低 $|t|$（サブ核子的スケールを探索）と比較した際の、大きな $|t|$ における断面積成長の抑制は、グルオン飽和の証拠を提供するという主張である。この抑制のエネルギー依存性は、現在の核遮蔽モデルの実装とは矛盾するが、飽和モデルによって予測される挙動とは一致している。具体的には、これらの結果は、エネルギーが増加するにつれて、小さな空間スケールにおけるグルオン構成が互いに似通ってくること（飽和領域における幾何学的効果）を示唆しており、それが断面積の平坦化として観察されることを示している。著者は、これらの結果は、グルオン飽和の根底にある物理を完全に解明するために、コヒーレント生成と非コヒーレント生成の両方を伴う包括的な理論的比較が必要であることを強調していると結論付けている。