Measurement of coincident photon-initiated processes in ultra-peripheral Pb+Pb collisions with the ATLAS detector

技術要約：ATLAS検出器を用いた超周辺Pb+Pb衝突における同時発生フォトンの発生プロセスに関する測定

問題と動機
重イオンの超周辺衝突（UPC）は、相対論的な原子核の強力な電磁場が強核相互作用を上回り、光子–光子（$\gamma\gamma$）および光子–原子核（$\gamma A$）相互作用を可能にするユニークな環境を提供する。ジレプトン生成（$\gamma\gamma \to \ell^+\ell^-$）や排他的ベクターメソン生成（$\gamma + A \to V + A$）といった単一光子誘起プロセスは広く研究されてきたが、一方または両方の原子核からの複数の光子の放出を伴う高次プロセスについては、長年理論的な関心が寄せられてきた。これらの多光子プロセスは、高電磁場強度における計算においてユニタリティを維持するために理論的に重要であり、また、光子誘起相互作用のインパクトパラメータ依存性を理解するためにも重要である。具体的には、同一のPb+Pb衝突内で $\gamma\gamma \to \mu^+\mu^-$ プロセスと $\gamma + A \to \rho^0 + A$ プロセスが同時に発生する「同時発生（coincident）」イベントの確率を定量化する必要がある。このような測定は、高電磁場強度における理論的予測の新たな検証となり、排他的QCDプロセスのインパクトパラメータ依存性に関する知見を提供するものである。

手法
本解析では、LHCのATLAS検出器によって記録された、核子–核子重心エネルギー $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV（2018年データ、1.44 nb$^{-1}$）および $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV（2023–2024年データ、3.17 nb$^{-1}$）の超周辺Pb+Pb衝突データを利用する。

• イベント選択: イベントは、排他的な $\gamma\gamma \to \mu^+\mu^-$ プロセスの存在によってタグ付けされる。選択基準として、$|\eta| < 2.4$ かつ $p_T > 3.7$ GeV の2つのオフライン・ミューオン、反対の電荷、および $\gamma\gamma$ 融合プロセスに由来することを保証するための特定の運動学的制約（運動量非対称性 $A < 0.06$、横運動量 $k_\perp < 150$ MeV）を要求する。
• 同時発生シグナルの識別: これらのタグ付けされたイベント内で、$\rho^0 \to \pi^+\pi^-$ への崩壊を通じて特定される単一の追加の $\rho^0$ メソンを探索する。トラックは、特定のシリコン検出器ヒット要件および運動学的カット（$p_T > 100$ MeV、$|\eta| < 2.5$）を満たす必要がある。この測定には、コヒーレントな $\rho^0$ 生成と直接的な $\pi^+\pi^-$ 生成の両方が含まれる（これらはこの文脈において区別できないため）。
• インパクトパラメータのプロキシ: 解析では、異なるインパクトパラメータを調べるために、ゼロ度カロリメータ（ZDC）の活動に基づいてイベントを分類する：
  • 0n0n: 中性子が検出されない（大きなインパクトパラメータ、原子核は無傷）。
  • 0nXn / XnXn: 片方または両方の腕で中性子が検出される（より小さなインパクトパラメータ、原子核の崩壊を伴う）。
• 背景事象の推定と収量の抽出: $\pi^+\pi^-$ 不変質量（$m_{\pi\pi}$）分布は、STARlightイベントジェネレータを使用して生成され、ATLAS検出器のフルGeant4シミュレーションを通過させたモンテカルロ・テンプレートを用いてフィッティングされる。背景テンプレートには、$\gamma\gamma \to e^+e^-$、$\gamma\gamma \to \mu^+\mu^-$、およびデータ駆動型の低多重度ジェット背景の寄与が含まれる。系統誤差は、フィッティング戦略の変更、トラック選択基準の比較（ID-tracks 対 pixel-tracks）、検出器物質のモデリング、およびパイアップ補正によって評価される。

主な貢献と結果
本研究は、超周辺Pb+Pb衝突における $\gamma\gamma \to \mu^+\mu^-$ と $\gamma + A \to \rho^0 + A$ の同時発生生成に関する初の測定を示すものである。主要な観測量は、排他的な $\gamma\gamma \to \mu^+\mu^-$ プロセスに対する同時発生的な $\rho^0$ 生成の相対的な割合であり、前方イベント活動（ZDC選択）およびジミューオン運動学の区間ごとに微分的に測定される。

• 包括的（Inclusive）な割合: 全てのフォワードイベント活動（$AnAn$ 選択）について合計すると、同時発生的な $\rho^0$ 生成の相対的な割合は $(9.3 \pm 0.4 \text{ (stat.)} \pm 0.2 \text{ (syst.)}) \times 10^{-3}$ と測定された。
• インパクトパラメータ依存性: 相対的な割合は、ZDC選択に対して明確な依存性を示し、インパクトパラメータが減少するにつれて（すなわち、中性子の活動が増加するにつれて）単調に増加する。割合は 0n0n 選択では約 $5 \times 10^{-3}$ であり、XnXn 選択では約 $30 \times 10^{-3}$ まで上昇する。この傾向は、インパクトパラメータが小さくなるほど、複数の光子誘起相互作用の確率が高まるという期待と一致している。
• 運動学的相関: 解析では、同時発生的な $\rho^0$ 生成率と、タグ付けされたジミューオン系の運動学的特性（不変質量 $m_{\mu\mu}$、ラピディティ $y_{\mu\mu}$、およびリーディング光子のエネルギー）との間の相関を提示している。相対的な割合は一般にジミューオンの不変質量とともに増加しており、これは高い質量とより小さなインパクトパラメータとの間の相関を反映している。

意義
本論文は、これらの測定がUPC衝突における多光子誘起プロセスの存在を裏付けていると主張している。同時発生的な $\rho^0$ 生成の相対的な割合を定量化することで、得られた結果は、高電磁場強度における光子誘起ベクターメソン生成のインパクトパラメータ依存性に関する新たな経験的制約を与える。観測された割合は、このような同時発生イベントの確率に関する理論的示唆（例：文献 [30]）と一致している。さらに、ZDC活動およびジミューオン運動学に関する微分的な測定は、高電磁場強度における光子誘起プロセスの理論的予測をテストし、高グルオン場強度における排他的QCDプロセスへの理解を深めるための新しい手法を提供する。これらの結果は、特定の理論モデルを解決することを主張するものではなく、むしろ超周辺領域における電磁相互作用と強相互作用の相互作用の理解を精緻化するために必要なデータを提供するものである。