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

技術要約：$\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeVにおけるPb+Pb衝突での前方ジェット抑制の測定

問題と動機
超相対論的重イオン衝突におけるクォーク・グルオン・プラズマ（QGP）の形成は、ジェット・クエンチングとして知られるパルトンエネルギー損失の研究を可能にする。包括的なジェット抑制は中間速度（$|y| \lesssim 2.8$）において広範に測定されてきたが、前方速度領域は重イオン衝突において依然としてほとんど探索されていない。理論的な考察によれば、前方領域は異なる運動学的環境を提供することが示唆されている。すなわち、速度が増加するにつれてクォーク由来のジェットの割合が増加し、初期パルトンスペクトルがより急峻になることが予想される。さらに、QGPの縦方向への膨張により、中間速度と比較して異なる有効媒質密度や経路長依存性が生じる可能性がある。中間速度における先行測定では、ジェットの抑制が初期パルトンのフレーバー（クォーク対グルオン）およびスペクトルの急峻さに依存することが示されている。しかし、これらの要因を分離するには、異なるフレーバー組成を持つ運動学的領域での測定が必要である。本論文は、前方速度領域における包括的ジェット抑制に関するデータの欠如に対処し、パトンのエネルギー損失におけるフレーバー、幾何学、および媒質密度の依存性に対する新たな制約を与えるものである。

手法
本解析では、LHCのATLAS検出器によって収集されたデータを利用する。データセットには、2018年に記録された積分ルミノシティ1.72 nb$^{-1}$のPb+Pb衝突、および2017年の255 pb$^{-1}$の$pp$衝突（共に核子・核子重心エネルギー$\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV）が含まれる。

• ジェット再構成: ジェットは、半径パラメータ $R=0.4$ のanti-$k_t$ アルゴリズムを用いて再構成される。解析は、2つの前方速度区間、$2.8 < |y| < 3.2$ および $3.2 < |y| < 3.6$ に焦点を当てる。トリガー効率を完全に確保し、背景事象（UE）のゆらぎによる寄与を抑制するために、横運動量閾値 $p_T > 74$ GeV が適用される。
• 中心度決定: Pb+Pb衝突におけるイベントの中心度は、モンテカルロ・グローバー・シミュレーションと相関させた、前方カロリメータにおける全横エネルギー（$\Sigma E_{FCal}^T$）を用いて推定される。4つの中心度区間（0–10%、10–20%、20–50%、50–80%）が定義される。
• 背景減算と較正: ジェット再構成への背景事象の寄与は、高次フロー変調を考慮した上で、イベントごとに減算される。ジェットエネルギー尺度（JES）およびジェットエネルギー分解能（JER）の補正が適用される。JESには、ジェットのフラグメンテーションパターンの潜在的な変化を考慮するための、重イオン環境特有の成分が含まれている。
• アンフォールディング: 検出器の分解能効果およびビン間の移動を補正するために、1次元のベイズ・アンフォールディング法が用いられる。応答行列は、背景事象（UE）を現実的にモデル化するために、最小バイアスPb+Pbデータ上にシミュレートされたダイジェット事象を用いて構築される。
• 核修飾因子 ($R_{AA}$): $R_{AA}$ は、Pb+Pb衝突における $\langle T_{AA} \rangle$ 正規化されたジェット収量と、$pp$ 衝突におけるジェット断面積との比として計算される。

主な貢献と結果
本研究は、重イオン衝突における前方速度での包括的ジェット抑制の初の測定を示すものである。

• 抑制の観測: すべての測定された中心度区間および速度領域において、$pp$ 衝突と比較して有意なジェット収量の抑制が観測された。
• 中心度および $p_T$ 依存性: $R_{AA}$ の大きさは、中心衝突（0–10%）から周辺衝突（50–80%）にかけて単調に増加する。抑制はジェット $p_T$ に対して緩やかな依存性を示し、$R_{AA}$ 値は一般に $p_T$ とともに増加する。$p_T$ 依存性は、異なる中心度および速度区間においても同程度である。
• 速度比較:
  • $2.8 < |y| < 3.2$ 領域では、測定された $R_{AA}$ 値は、中間速度領域（$|y| < 2.8$）で測定された値よりも低くなる傾向がある。これは、先行の中間速度測定で示唆された傾向と一致しており、前方速度におけるフレーバー組成の変化（クォーク分率の増加）およびスペクトルの急峻化を反映している可能性がある。
  • より前方である $3.2 < |y| < 3.6$ 領域では、統計精度が不十分であるため、$|y| < 2.8$ 領域との決定的な比較を行うことはできない。
• 理論比較: 測定された $R_{AA}$ 値を、3つの理論モデル（Linear Boltzmann Transport (LBT) モデル、Hybridモデル、およびパラメトリックモデル）と比較した。
  • LBTモデルは $R_{AA}$ の形状を再現するが、抑制の大きさを過小評価している。
  • パラメトリックモデルは、高 $p_T$ における抑制を過大評価している。
  • Hybridモデルは、Molière散乱と媒質のウェイク（エネルギーが注入されたことによるQGPの応答）の両方が含まれている場合に、データと最も良く一致する。

意義
本論文は、これらの結果が、重イオン衝突における前方速度での包括的ジェット抑制の初の測定であることを主張している。クォークおよびグルオン由来のジェットの混合比が異なり、潜在的に異なる有効媒質密度を持ち、中間速度と比較して異なる選択バイアスレベルを持つ運動学的領域を調査することで、これらの測定はジェット・クエンチングの理論的記述に対する新たな制約を与える。具体的には、このデータは、パトンのエネルギー損失のフレーバー依存性と、膨張するQGPの幾何学および密度への依存性を分離するのに役立つ。これらの結果は、ジェットと媒質の相互作用における摂動論的メカニズムと非摂動論的メカニズムの相互作用を記述しようとするモデルのベンチマークとして機能する。