Measurement of $J/\psi$-jet correlations in $pp$ and Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{\text{NN}}}=5.02$ TeV with the ATLAS detector

기술 요약: ATLAS 검출기를 이용한 $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV에서의 $pp$ 및 Pb+Pb 충돌 내 $J/\psi$–제트 상관관계 측정

문제 및 동기
차모늄 생성, 특히 $J/\psi$ 중간자($c\bar{c}$ 결합 상태) 생성은 쿼크-글루온 플라즈마(QGP)와의 상호작용으로 인해 양성자-양성자($pp$) 충돌에 비해 중이온 충돌에서 강하게 억제됩니다. 색 가둠(color screening), 매질 내 해리(in-medium dissociation), 재생(regeneration)과 같은 메커니즘은 이해되어 왔으나, 차모늄의 정확한 생성 메커니즘은 여전히 미해결 상태로 남아 있습니다. 구체적으로, 차모니아가 제트 활동과 어떻게 상관관계를 갖는지, 그리고 고-$p_T$ $J/\psi$가 제트 퀜칭(jet quenching)과 유사한 매질 유도 에너지 손실을 경험하는지는 불분명합니다. CMS와 LHCb의 이전 측정들은 제트의 존재에 의해 트리거된 이벤트 샘플에 의존하거나, 제트의 4-모멘텀(제트 자체를 포함함)을 기준으로 $J/\psi$가 "제트 안에 있다"고 정의했습니다. 이러한 접근 방식은 잠재적인 편향을 유발할 수 있으며, $J/\psi$의 운동학을 제트의 운동학으로부터 완전히 분리하지 못합니다. 본 논문은 모든 $J/\psi$ 이벤트를 분석하고, $J/\psi$의 운동학을 제트의 운동학으로부터 분리하며, 프롬프트(직접 생성된)와 비프롬프트($b$-중입자 붕괴로부터 유래된) $J/\psi$를 구분함으로써 $J/\psi$–제트 상관관계를 정량화하는 것을 목표로 합니다.

방법론
본 분석은 LHC의 ATLAS 검출기에서 수집된 데이터를 활용하며, 이는 $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV에서 $1.82 \text{ nb}^{-1}$의 Pb+Pb 충돌(2015년 및 2018년)과 $0.26 \text{ fb}^{-1}$의 $pp$ 충돌(2017년)에 해당합니다.

• 이벤트 선택 및 재구성: $J/\psi$ 후보는 디뮤온 붕괴 채널($\mu^+\mu^-$)에서 $p_T > 9$ GeV 및 $|y| < 2$ 조건으로 재구성됩니다. 뮤온은 "Medium" 워킹 포인트를 만족해야 하며 트리거 레벨 뮤온과 매칭되어야 합니다.
• 제트 연관성: 제트는 반경 파라미터 $R=0.2$를 가진 anti-$k_t$ 알고리즘을 사용하여 재구성되며, 횡운동량 임계값은 $p_T > 20$ GeV입니다. 결정적으로, 제트 재구성은 $J/\psi$ 중간자의 신호를 제외하고 수행됩니다.
• 분류: $J/\psi$ 후보는 세 가지 클래스로 분류됩니다:
  1. 비고립(Non-isolated): $\Delta R < 0.4$ 이내의 제트와 매칭됨.
  2. 포괄적(Inclusive): 선택된 모든 $J/\psi$ 후보.
  3. 고립(Isolated): 포괄적 수율과 비고립 수율의 차이로 정의됨 ($N_{iso} = N_{incl} - N_{non-iso}$).
• 신호 추출: 프롬프트 및 비프롬프트 $J/\psi$의 수율은 디뮤온 불변 질량($m_{\mu\mu}$)과 의사 고유 수명($\tau_{\mu\mu}$) 분포에 대한 unbinned maximum-likelihood fit을 사용하여 추출됩니다. 피팅 모델은 신호 성분(Crystal Ball + Gaussian)과 배경 성분(지수 함수)을 모두 포함하며, 두 가지 소스(프롬프트 및 비프롬프트)에 대해 각각 적용됩니다.
• 보정: 원시 분포는 수용도(acceptance), 트리거 효율, 재구성 효율 및 제트 관련 효과(제트 에너지 스케일, 해상도, 직교 콘(orthogonal-cone) 방법을 통해 추정된 언더라이잉 이벤트 또는 다중 입자 상호작용으로부터의 배경 제트 포함)에 대해 보정됩니다.
• 관측량: 본 연구는 $pp$에서의 미분 단면적, Pb+Pb에서의 수율(이벤트 수 및 핵 중첩 함수 $\langle T_{AA} \rangle$로 정규화), 핵 변조 인자($R_{AA}$), 고립 분율(isolated fractions), 그리고 비프롬프트 분율을 보고합니다.

주요 기여

• 운동학의 디커플링: 본 분석은 $J/\psi$ 신호 없이 제트를 재구성하고, 제트 트리거 이벤트 대신 전체 $J/\psi$ 샘플을 분석함으로써 $J/\psi$의 운동학을 제트의 운동학으로부터 분리합니다.
• 고립 정의: 근처의 고-$p_T$ 제트가 없는 상태를 기준으로 "고립된" $J/\psi$에 대한 엄격한 정의를 도입하여, 고립된 생성 메커니즘과 비고립된 생성 메커니즘을 직접 비교할 수 있게 합니다.
• 프롬프트 vs 비프롬프트 분리: 본 측정은 모든 카테고리(고립, 비고립, 포괄적)에 걸쳐 프롬프트 및 비프롬프트 $J/\psi$에 대한 개별적인 결과를 제공합니다.
• 체계적 처리: 본 논문은 제트 보정, 배경 차감, 피팅 모델에서 발생하는 계통 불확실성을 상세히 다루며, 특히 Pb+Pb 충돌에서 언더라이잉 이벤트가 제트 태깅에 미치는 영향을 다룹니다.

결과

• 고립 분율: 고립된 $J/\psi$의 분율은 $p_T \approx 9$ GeV에서 1에 가까운 값을 가지며, $p_T \approx 50$ GeV에서 0.6~0.8 사이로 감소합니다. 고립된 분율은 $pp$와 Pb+Pb 충돌 모두에서 비프롬프트 $J/\psi$에 비해 프롬프트 $J/\psi$에서 체계적으로 10–20% 더 높습니다. $pp$와 Pb+Pb 충돌 사이, 또는 서로 다른 중심도 구간 사이에서 고립 분율의 유의미한 차이는 관찰되지 않았습니다.
• 비프롬프트 분율: 포괄적 $J/\psi$에 대한 비프롬프트 분율은 $p_T = 10$ GeV에서 $\approx 0.3$에서 $p_T = 50$ GeV에서 $\approx 0.6$으로 증가합니다. $p_T > 15$ GeV인 비고립 $J/\psi$의 경우, 비프롬프트 분율은 약 0.7이며 $p_T$ 의존성을 보이지 않습니다.
• 핵 변조 인자 ($R_{AA}$):
  • 가장 높은 측정된 $p_T$까지 모든 클래스에서 강한 억제가 관찰됩니다.
  • 프롬프트 $J/\psi$의 경우, 고립된 클래스와 포괄적 클래스의 $R_{AA}$ 값은 전체 $p_T$ 범위에서 일치합니다.
  • 그러나 $p_T > 30$ GeV에서, 비고립 프롬프트 $J/\psi$의 $R_{AA}$는 고립된 프롬프트 $J/\psi$보다 체계적으로 낮습니다. 이 차이의 유의성은 Stouffer's test를 통해 3.5$\sigma$, 기울기 비교를 통해 3.3 표준 편차를 나타냅니다.
  • 비프롬프트 $J/\psi$의 경우 세 가지 고립 클래스 간에 유의미한 $R_{AA}$ 차이가 관찰되지 않았습니다.
• 파편화 함수: $pp$충돌에서 프롬프트$J/\psi$의 원시 파편화 함수는 비프롬프트 생성에 대한 Pythia 8 예측과는 질적으로 일치하지만, 프롬프트 생성 예측과는 크게 다르며, 이는 모델이 파톤 샤워 후반부의 프롬프트 $J/\psi$ 생성을 과소평가하고 있음을 시사합니다.

의의
본 논문은 이러한 결과들이 차모늄 생성 메커니즘과 매질 내 억제에 대한 새로운 제약을 제공한다고 주장합니다. 비고립 프롬프트 $J/\psi$ 메존(제트와 연관된 것들)이 고-$p_T$에서 고립된 것보다 더 강한 억제($R_{AA}$)를 경험한다는 것을 보여줌으로써, 저자들은 더 발달된 파톤 샤워 또는 파편화 시스템과 연관되어 생성된 $J/\psi$가 매질 내에서 강화된 에너지 손실이나 해리를 겪을 수 있음을 시사합니다. 이 결과는 제트 퀜칭과 차모늄 억제 사이의 상호작용을 포함하여, $pp$ 및 Pb+Pb 충돌 모두에서 $J/\psi$ 생성을 설명하려는 이론적 모델에 중요한 입력을 제공합니다.