⚛️ high-energy experiments

Spin-dependent azimuthal asymmetry of coherent J/ $\psi$ photoproduction in hadronic PbPb collisions at $\sqrt{s_\mathrm{NN}}$ = 5.36 TeV

5.36 TeVのPbPb衝突におけるCMSデータを用いた本研究は、コヒーレントに光生成されたJ/ $\psi$ 中間子における有意な負のスピン依存方位角非対称性を初めて観測したことを報告しており、これは中間子が入射フォトンの直線偏光を継承するという理論モデルを裏付けるとともに、反応面決定のための新たな手法を示唆するものである。

原著者： CMS Collaboration

公開日 2026-09-07

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CC BY 4.0

原著者： CMS Collaboration

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高エネルギー物理学の領域において、科学者たちは宇宙を単なる粒子の集まりとしてではなく、光と物質が極限的な方法で相互作用する舞台として捉えることがよくあります。鉛のような重い原子核を光速に近い速度まで加速させ、それらを衝突させると、巨大な電磁場が発生します。これらの場は、核同士が直接触れ合うことなく、他の原子核に衝突することができる、実在する光子（光の粒子）の氾濫のように機能します。このプロセスにより、研究者は、通常の物質を構成する粒子たちの重い従兄弟である「ベクトル中間子」と呼ばれる短寿命の粒子を作り出すことができます。この分野における重要な問いは、これら新たに生成された粒子のスピン、すなわち固有の回転が、それらが崩壊する際にどのように影響を与えるかということです。断片が飛んでいく方向を研究することで、物理学者は、光がいかにして物質へと変容するか、そして衝突の幾何学がどのようにその結果を形作るのかという根本的な法則を理解しようとしています。

欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器にあるCMS検出器を使用しているある研究者が、鉛・鉛衝突における特定の種類の粒子崩壊を観測することにより、この問いに対して明確な答えを提示しました。実験は、量子力学と相対性理論の法則が劇的に展開するスケールである、5.36兆電子ボルトの衝突エネルギーで行われました。チームは、チャームクォークとその反物質のパートナーからなるベクトル中間子の一種である「J/psi」と呼ばれる粒子に焦点を当てました。この研究において、J/psi中間子は核同士の激しい衝突によってではなく、一方の原子核からの光子が他方の原子核と相互作用することによって生成されました。これらの粒子は、その後、ミューオンのペア（電子の重いバージョン）へと崩壊しました。研究者は、J/psiのスピンの影響を明らかにするパターンを探るために、衝突の向きに対するミューオンの放出角度を測定しました。

この解析は、1.26 pb⁻¹（逆ナノバーン）の衝突データに基づいています。この特定のデータ量は、研究者が、光子が個々の陽子や中性子ではなく核全体と単一のユニットとして相互作用した、J/psi中間子が「コヒーレントに」生成された稀なイベントを分離することを可能にしました。科学者はミューオンの飛行経路の分布を調査し、明確で繰り返されるパターンを発見しました。ミューオンはランダムな方向に飛んでいくのではなく、衝突の平面に対して特定の角度を持つことを好む傾向を示しました。このパターンは変調の強さを表す値によって定量化され、研究者がこれを測定したところ、負の値となりました。この負の値は、物理学者が決定的な発見を主張するために用いる閾値である、5標準偏差を超える高い統計的確実性をもって現れました。

極めて重要なことに、このパターンは、衝突がどれほど中心的なものであったか、あるいは衝突領域内のどこでJ/psi中間子が生成されたかに基づいて変化しないことが判明しました。異なる条件下での結果の一貫性は、堅牢な基礎的物理メカニズムの存在を示唆しています。この知見は、J/psi中間子がそれを生成した光子の偏光（方向的な整列）を受け継ぐという理論モデルと一致しています。光子の偏光は衝突の幾何学に結びついているため、J/psiの崩壊生成物は、元の衝撃の向きを効果的に描き出します。この観測は、崩壊生成物のスピンが重要であることを裏付けています。つまり、ミューオンは、他の粒子の同様の研究で生成されるパイオンとは異なる挙動を示すのです。

この研究は、ハドロン衝突内におけるコヒーレントに生成されたベクトル中間子の崩壊において、このようなスピン依存の効果が明確に観測された初めての事例です。これは、初期の光子の偏光が、中間子の生成を通じて保持され、その崩壊生成物に刻み込まれるという考えを検証するものです。さらに、本研究は、衝突の向き（正確な決定がしばしば困難なもの）が、これらの粒子の偏光から推論できることを示しています。これは、従来の方式では困難な、より小さな衝突系を研究する際に特に有用となり得る、重イオン衝突の幾何学を測定するための新しい独立した手法を提供します。これらの結果は、光による相互作用のスピン力学への直接的な窓を開き、粒子を作り出す光の方向が、その粒子が崩壊していく方向を決定することを裏付けています。

技術要約：ハドロン衝突におけるコヒーレントな $J/\psi$ 光産生におけるスピン依存的な方位角非対称性

問題と動機
超相対論的重イオン衝突において、原子核の強力な電磁場は、準実フォトンのフラックスとしてモデル化できる。これらの光子は仮想的なクォーク・反クォーク対へと揺らぎ、別の原子核とカラーシングレットのグルーオン交換を介して相互作用することで、真のベクトル中間子（例： $J/\psi, \rho^0$ ）を生成する。コヒーレント光産生は、インパクトパラメータが原子核の半径の和を超える超周辺衝突（UPC）では広く研究されてきたが、この過程はハドロン衝突においても発生する。

主要な理論的予測は、ローレンツ収縮した電磁場から生じる直線偏光フォトンの性質が、コヒーレントに生成されたベクトル中間子へと転写されることである。この偏光は、偏光軸に対する崩壊生成物の方位角分布における二次の調和変調（ $\cos(2\phi)$ ）として現れるはずである。UPCにおけるこれまでの測定では、区別不可能な生成経路（どちらの原子核がフォトンの源となるか）間の量子干渉を利用して、中間子の横運動量（ $p_T$ ）と偏光を相関させてきた。しかし、この干渉は大きなラピディティや非対称な系では抑制され、 $J/\psi$ のような重い中間子の崩壊レプトンの高い $p_T$ は、正確な $p_T$ 方向の決定を困難にしている。

本論文が取り組む中心的な問題は、量子干渉効果に依存することなく、ハドロン衝突内におけるコヒーレントに光産生されたベクトル中間子の、スピン依存的な方位角非対称性を直接観測することである。本論文では、電荷を持つ粒子のフローから再構成された二次イベント平面（ $\Psi_2$ ）を、インパクトパラメータの方向、ひいては光子の偏光軸の堅牢なプロキシ（代理指標）として用いることを提案している。

手法
本解析では、LHCにおけるCMS実験のデータを使用する。データは、2023年に収集された、核子・核子重心エネルギー $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeVの鉛・鉛（PbPb）衝突に対応するもので、積分ルミノシティは 1.26 nb $^{-1}$ である。

イベント選択: 前方ハドロンカロリメータ（HF）におけるエネルギー沈着と、ゼロ度カロリメータ（ZDC）における中性子候補を必要とする最小バイアス・トリガーを用いてイベントを選択する。オフラインでは、コヒーレントな寄与を確保しつつ背景事象を管理するために、イベントを50–80%の中央度クラスに制限する。一次頂点は、ビーム軸に沿って相互作用点から25 cm以内であることが求められる。
信号再構成: $J/\psi$ は、ミューオン対への崩壊（ $J/\psi \to \mu^+\mu^-$ ）を通じて再構成される。ミューオンは「ソフトミューオン」識別基準を満たし、 $\eta$ 依存の下限 $p_T$ 境界によって定義されるフィデューシャル位相空間内に存在しなければならない。ミューオン対の不変質量は 2.6 から 4.2 GeV の範囲内である必要がある。
イベント平面の決定: 二次イベント平面角（ $\Psi_2$ ）は、 $0.3 < p_T < 3.0$ GeV かつ $|\eta| < 2.4$ のトラックから得られるフローベクトル（ $Q_2$ ）を用いて再構成される。この際、自己相関を避けるため、選択されたミューオン対に関連するトラックは除外される。イベント平面の分解能は、HFカロリメータを用いた三サブイベント法によって決定される。
非対称性の測定: $J/\psi$ 静止系における正のミューオンの方位角（ $\phi_{\mu^+}$ ）を測定する。対象となる変数は $\Delta\phi = \phi_{\mu^+} - \Psi_2$ である。 $\Delta\phi$ の分布は、形式 $N(\Delta\phi) = C(1 + 2A_2^{obs}\cos(2\Delta\phi))$ に適合（フィット）される。
背景事象および効率の補正:
- コヒーレントな $J/\psi$ 信号は、 $p_T < 0.2$ GeV の候補を選択することで孤立させる。この領域ではコヒーレントな寄与が支配的である。
- 非コヒーレントおよびハドロン的な生成による寄与は、ハドロンプロセスが支配的な高 $p_T$ 領域からスペクトルを外挿することで推定し、減算される。
- 検出器の受容性と再構成効率は、HYDJET イベントに埋め込まれたシミュレーション（コヒーレントには STARLIGHT、ハドロンには PYTHIA）を用いて補正され、データとシミュレーションのスケールファクターが適用される。
- 観測された振幅 $A_2^{obs}$ は、イベント平面の分解能で補正され、物理的な非対称性振幅 $A_2$ が得られる。

主な結果
解析の結果、コヒーレントに光産生された $J/\psi$ 中間子のミューオンにおける、統計的に有意な負の方位角非対称性が得られた。

測定された振幅: $A_2 = -0.194 \pm 0.022 \text{ (stat)} \pm 0.018 \text{ (syst)}$ 。
有意性: 結果は5標準偏差を超えてゼロから逸脱している。
依存性: $A_2$ の値は、 $J/\psi$ のラピディティ（ $1.6 < |y| < 2.4$ ）や衝突の中央度（50–80%）に対して有意な依存性を示さない。
理論との比較: 測定された負の振幅は、入射フォトンの直線偏光を $J/\psi$ が継承すると予測する理論モデル（WuらおよびShaoら）と一致している（ここで、偏光はインパクトパラメータ、すなわちイベント平面と相関している）。参加核子の存在による部分的なコヒーレンス喪失を考慮した Wu らのモデルは、すべての中心度およびラピディティの範囲においてデータを良好に説明している。対照的に、異なるフォトンのヘリシティ状態間の干渉から負の $A_2$ を予測する、インパクトパラメータ依存の飽和モデルに基づく Shao らのモデルは、予測される変調振幅が測定値よりも系統的に約2倍大きい。

意義と主張
本論文は、重イオン衝突におけるコヒーレントに光産生されたベクトル中間子の崩壊から生成されるスピン1/2のミューオンにおいて、負の変調が観測されたことを初めて報告するものである。この知見は、 $\rho^0$ の崩壊から生じるスピン0のパイオンに関するこれまでの正の変調の測定結果と合わせ、コヒーレントに光産生されたベクトル中間子の崩壊生成物における方位角非対称性のスピン状態依存性の直接的な実験的証拠を提供するものである。

さらに、本論文は、崩壊生成物と二次イベント平面との間に観測された相関が、ハドロン衝突におけるコヒーレントに光産生されたベクトル中間子の偏光方向の、実験的に堅牢なプロキシ（代理指標）となり得ることを主張している。量子干渉に依存する従来の手法とは異なり、このアプローチは広いラピディティ範囲および異なる衝突系に適用可能である。著者らは、この相関が、ノンフロー効果やイベントごとのゆらぎからほぼ独立した反応平面決定の新しい手法を提供することを示唆しており、より小さな衝突系（例：陽子・原子核衝突）における集団的挙動の研究において価値がある可能性があるとしている。

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