Measurement of jet photoproduction in ultra-peripheral Pb+Pb collisions without nuclear breakup at $\sqrt{s_\mathrm{NN}} = 5.02$ TeV with the ATLAS detector

Met behulp van ATLAS-data uit 2018 van ultra-perifere Pb+Pb-botsingen bij $\sqrt{s_\mathrm{NN}} = 5.02$ TeV presenteert dit artikel de eerste meting van $\gamma+I\!\!P\rightarrow\mathrm{jets}$-doorsneden in nucleaire botsingen door middel van een statistische scheiding van foton--pomeron-, foton--foton- en perifere fotonucleaire processen in niet-splitsingsgebeurtenissen via een template-fit van rapiditeitsgaten, terwijl ook wordt bevestigd dat dergelijke gebeurtenissen een meer perifere klasse van botsingen selecteren.

De kern

Stel je twee enorme, zware vrachtwagens (kern van lood) voor die met bijna de lichtsnelheid op een snelweg op elkaar af racen. Normaal gesproken, wanneer deze vrachtwagens elkaar raken, verpletteren ze in stukken en ontstaat er een chaotische hoop puin. Dit is wat er gebeurt bij een standaard botsing tussen zware ionen.

Maar in dit experiment zocht het ATLAS-team bij CERN naar een zeer specifiek, zeldzaam scenario: De "Spookpassage".

De Opzet: Een Bijkans-Botsing

In plaats van een frontale crash, stel je voor dat de twee vrachtwagens elkaar zo dicht passeren dat hun bumpers bijna elkaar raken, maar ze botsen niet echt. Omdat ze zo dicht bij elkaar zijn, wisselen hun krachtige elektromagnetische velden (stel je ze voor als onzichtbare, intense magnetische krachtvelden) met elkaar uit.

Bij deze "Ultra-Perifere Botsing" (UPC) schiet het krachtveld van de ene vrachtwagen een hoog-energetisch foton uit (een deeltje licht). Dit foton botst vervolgens tegen de andere vrachtwagen.

Het Doel: De "Schone" Treffer Vangen

Normaal gesproken is het, wanneer een foton op een kern botst, alsof je met een hamer op een bowlingbal slaat; de bal breekt uiteen en stukken (neutronen) vliegen in alle richtingen. Detectoren aan de voorkant van het experiment (Zero-Degree Calorimeters genoemd) fungeren als bewegingssensoren en zoeken naar deze vliegende stukken.

• De "Vuil" Treffer: Als de detector vliegende stukken (neutronen) ziet, weet hij dat de kern uit elkaar is gevallen.
• De "Schone" Treffer (De focus van dit artikel): De onderzoekers zochten specifiek naar gebeurtenissen waarbij geen enkele stukken wegvlogen. Beide vrachtwagens bleven perfect intact nadat het foton op een van hen had gebotst.

Dit is ongelooflijk moeilijk te vinden omdat de meeste treffers een uit elkaar vallen veroorzaken. Het is alsof je probeert een biljartbal te vinden die door een keu is geraakt, maar die niet eens trilde of een deukje kreeg.

Het Mysterie: Wat Gebeurde Er Binnenin?

Toen het foton op de intacte kern botste, creëerde het een spurt van deeltjes die "jets" worden genoemd. De wetenschappers wilden weten: Hoe slaagde het foton erin om op de kern te slaan zonder deze te breken?

Er zijn drie hoofdmanieren waarop dit kan gebeuren, en het artikel fungeert als een detective die door een door elkaar gehusselde hoop bewijsmateriaal sorteert om ze te scheiden:

1. De "Ruwe" Treffer (Niet-diffractief): Het foton raakt een deel van de kern dicht bij de rand. Het is een zijdelingse klap die jets creëert maar de kern door pure geluk intact laat.
2. De "Vlotte" Treffer (Diffractief): Het foton wisselt uit met de kern als geheel, net als een golf die door een net gaat. Dit is een "coherente" interactie waarbij de kern bij elkaar blijft, en de interactie wordt bemiddeld door iets dat een "pomeron" wordt genoemd (een theoretisch deeltje dat fungeert als lijm die de interactie bij elkaar houdt).
3. De "Dubbel-Licht" Treffer: Soms schieten beide vrachtwagens fotonen uit die op elkaar botsen, waardoor jets ontstaan. Dit is achtergrondruis die de wetenschappers moesten filteren.

Het Detectivewerk: De "Stilte"-Test

Hoe onderscheidden ze het verschil tussen een "Ruwe" treffer en een "Vlotte" treffer? Ze zochten naar stilte.

In de deeltjesfysica zijn "rapiditeitsgaten" lege ruimtes waar geen deeltjes worden gecreëerd.

• Als de treffer "Ruwe" was (zijdelings), zou er in bepaalde richtingen wat ruis of puin zijn.
• Als de treffer "Vlot" was (diffractief), zou er aan beide kanten van de botsing een grote, schone gap van stilte zijn.

Het team gebruikte een statistische "template fit" (alsof je een vingerafdruk vergelijkt met een database) om de gebeurtenissen te sorteren. Ze keken naar het patroon van stilte in de detector om te bepalen hoeveel gebeurtenissen "Vlotte" treffers waren versus "Ruwe" treffers.

De Grote Ontdekking

Het artikel beweert twee hoofdzaken:

1. Eerste Meting van deze Aard: Ze slaagden er voor het eerst in om het tempo van deze "Vlotte" (diffractieve) jet-producties in botsingen tussen zware ionen te meten. Het is alsof je voor het eerst een duidelijke foto maakt van een geest die eerder slechts een gerucht was.
2. De "Rand van de Wereld"-theorie: Ze ontdekten dat wanneer de kern niet uit elkaar valt (de "Schone" treffer), dit vaker gebeurt wanneer de twee vrachtwagens elkaar op een iets grotere afstand passeren dan wanneer ze dichter langs elkaar gaan en uit elkaar vallen.
   • Analogie: Stel je voor dat je een dart gooit naar een doel. Als je het midden raakt, breekt het doel uiteen. Als je de aller-rand raakt, kan het doel wiebelen maar blijft het heel. De data suggereert dat deze "Schone" treffers plaatsvinden op de aller rand van de kern. Dit geeft wetenschappers een nieuwe manier om de "huid" of de buitenste lagen van de atoomkern te bestuderen, wat moeilijk te zien is bij normale botsingen.

Waarom Dit Belangrijk Is (Volgens het Artikel)

Dit gaat niet over het bouwen van nieuwe motoren of het genezen van ziekten. Het gaat over het begrijpen van de fundamentele regels van hoe materie is opgebouwd. Door deze "Schone" treffers te bestuderen, kunnen wetenschappers hun theorieën testen over hoe protonen en neutronen zijn gerangschikt binnen een zware kern en hoe de "lijm" (de sterke kracht) ze bij elkaar houdt wanneer ze nauwelijks worden aangeraakt.

Kortom: Ze vonden een manier om de atoomkern te bestuderen door te kijken hoe deze wordt geraakt door licht zonder te breken, en onthulden dat deze zachte treffers voornamelijk plaatsvinden op de aller-uiterste randen van het atoom.

Technische samenvatting

1. Probleem en Motivatie

Bij ultra-relativistische zware-ionenbotsingen bij de LHC genereren sterk geladen kernen intense elektromagnetische velden die fungeren als bronnen van quasi-reële fotonen. Deze fotonen kunnen interageren met de tegenoverliggende kern in Ultra-Perifere Botsingen (UPC's) zonder dat de kernen een hadronische overlap ondergaan.

• De Uitdaging: Hoewel niet-diffractieve fotonkernprocessen ($\gamma + A \to \text{jets}$) zijn gemeten, blijven diffractieve processen ($\gamma + \mathbb{P} \to \text{jets}$, waarbij $\mathbb{P}$ een pomeron is) in kernbotsingen grotendeels onontgonnen. Diffractieve processen zijn cruciaal voor het onderzoeken van nucleaire parton-distributiefuncties (nPDF's) bij lage Bjorken-$x$ en voor het bestuderen van gluon-saturatie en het verbreken van factorisatie.
• Het Specifieke Gat: Eerdere ATLAS-metingen van $\gamma + A \to \text{jets}$ vereisten de emissie van voorwaartse neutronen ($0nXn$-topologie) om diffractieve gebeurtenissen te onderdrukken. Dit artikel heeft tot doel de $0n0n$-topologie te meten (geen voorwaartse neutronen aan beide zijden), die wordt gedomineerd door een mengsel van:
  1. Diffractief $\gamma + \mathbb{P} \to \text{jets}$ (coherente pomeronemissie).
  2. Perifere niet-diffractieve $\gamma + A \to \text{jets}$ (een nucleon raken aan de kernrand zonder de kern te breken).
  3. Tweefotonprocessen $\gamma + \gamma \to \text{jets}$.
• Kernvraag: Kunnen deze drie distincte fysische processen statistisch worden gescheiden in de $0n0n$-steekproef om de eerste meting te verkrijgen van de inclusieve $\gamma + \mathbb{P} \to \text{jets}$-werkzame doorsnede in kernbotsingen?

2. Methodologie

Data en Detector:

• Dataset: Pb+Pb-botsingen bij $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV opgenomen door de ATLAS-detector in 2018, overeenkomend met een geïntegreerde lichtkracht van 1,72 nb$^{-1}$.
• Selectie: Gebeurtenissen worden geselecteerd met de volgende eisen:
  • Minimaal twee jets met $p_T > 15$ GeV en $|\eta| < 4.4$.
  • Zero-degree Calorimeters (ZDC's): Geen energie-deposities die consistent zijn met neutronen ($E_{ZDC} < 1$ TeV) aan beide zijden, waarmee de $0n0n$-topologie wordt gewaarborgd.
  • Rapidity Gaps: Een grote rapidity gap ($\sum \Delta\eta > 2.5$) aan ten minste één zijde om hadronische achtergrond te onderdrukken.

Statistische Scheiding (Template Fitting):
De kerninnovatie is het gebruik van een template fit om de drie bijdragende processen te scheiden op basis van de minimale eenzijdige rapidity gap ($\Delta\eta^<_2$). Deze variabele is gedefinieerd als de gap tussen de detectorrand en de twee-naast-slaagste track of topo-cluster, wat de gevoeligheid voor ruis vermindert terwijl de fysische gevoeligheid behouden blijft.

• Templates:
  • $\gamma + A \to \text{jets}$: Rechtstreeks afgeleid van $0nXn$-data (waarbij een neutron wordt uitgezonden), behandeld als een zuiver niet-diffractief signaal.
  • $\gamma + \mathbb{P} \to \text{jets}$ en $\gamma + \gamma \to \text{jets}$: Gemodelleerd met Pythia 8 Monte Carlo-simulaties. De pomeronflux wordt geparametriseerd met de Steng-Berger-vorm, met een kernspecifieke hellingparameter $B \approx 200$ GeV$^{-2}$.
• Fit-variabelen: De fit wordt uitgevoerd in bins van de jetsysteem-rapidity ($|y_{jets}|$) en de scalaire som van transversale impuls ($H_T$).

Kinematische Variabelen:

• Voor $\gamma + \mathbb{P}$ wordt de symmetrische variabele $|y_{jets}|$ gebruikt vanwege de symmetrische aard van coherente pomeronemissie.
• Voor $\gamma + A$ worden asymmetrische variabelen $z_-$ (fotonimpulsfractie) en $x_+$ (aangeslagen kernimpulsfractie) gedefinieerd om de kinematica in kaart te brengen.

Elektromagnetische Dissociatie (EMD) Meting:
Het artikel meet ook de snelheid van EMD (waarbij de foton-emitterende kern uiteenvalt ondanks de $0n0n$-selectiecriteria) door "omgekeerde" topologieën ($Xn0n$) te vergelijken, waarbij de neutronrichting in strijd is met de jet-rapidity. Dit maakt een vergelijking mogelijk van impactparameterverdelingen tussen $0n0n$- en $0nXn$-gebeurtenissen.

3. Belangrijkste Bijdragen

1. Eerste Meting van $\gamma + \mathbb{P} \to \text{jets}$ in Kernen: Dit is de eerste extractie van de inclusieve diffractieve jet-fotoproductiewerkzame doorsnede in kernbotsingen bij de LHC.
2. Techniek voor Statistische Scheiding: Demonstreert een robuuste methode om diffractieve, perifere niet-diffractieve en tweefotonprocessen in UPC's te ontwarren met behulp van rapidity-gap-verdelingen, waarmee het gebrek aan exclusieve neutronenmarkering voor diffractieve gebeurtenissen wordt overwonnen.
3. Gevoeligheid voor Impactparameter: Door EMD-snelheden te vergelijken in $0n0n$ versus $0nXn$-gebeurtenissen, biedt de studie indirect bewijs dat $0n0n$-gebeurtenissen een meer perifere klasse van botsingen selecteren (grotere impactparameters) dan $0nXn$-gebeurtenissen.
4. Tests van Factorisatiebreking: Biedt data om NLO QCD-predicties te testen met betrekking tot factorisatiebreking in coherente kerndiffractie.

4. Resultaten

Werkzame Doorsnede-metingen:

• De dubbel-differentiele werkzame doorsnedes voor $\gamma + \mathbb{P} \to \text{jets}$ werden gemeten als functie van $|y_{jets}|$ (geïntegreerd over $H_T$) en $H_T$ (differentieel in $|y_{jets}|$).
• Vergelijking met Theorie: De data werden vergeleken met Next-to-Leading Order (NLO) theoretische voorspellingen (Guzey en Klasen) waarbij twee scenario's voor factorisatiebreking werden overwogen.
  • Schaal: De theoretische voorspellingen vangen de algehele grootte van de werkzame doorsnede goed.
  • Vorm: De data vertonen een breedere $|y_{jets}|$-verdeling dan de theoretische voorspellingen. Dit suggereert dat de modellering van de coherente pomeronflux (specifiek de $t$-afhankelijkheid of het nucleaire vormfactor) mogelijk moet worden aangepast voordat definitieve conclusies over factorisatiebreking kunnen worden getrokken.

EMD en Impactparameters:

• Het fractie van gebeurtenissen waarbij de foton-emitterende kern EMD ondergaat ($f_{EMD}^\gamma$) werd gemeten voor $0n0n$-gebeurtenissen.
• Vinding: De $0n0n$-gebeurtenissen vertonen een significant lagere EMD-snelheid in vergelijking met $0nXn$-gebeurtenissen (na correctie voor gecorreleerde wederzijdse EMD).
• Implicatie: Aangezien de EMD-kans correleert met de impactparameter ($b_{AA}$), bevestigt dit dat de $0n0n$-selectie effectief botsingen isoleert met grotere impactparameters (periferer), waar de fotonflux interageert met de "rand" van de doelkern. Dit valideert het gebruik van $0n0n$-gebeurtenissen om de impactparameter-afhankelijkheid van nPDF's te onderzoeken.

5. Betekenis

• Nieuwe Proef voor Kernstructuur: Dit werk vestigt $0n0n$-UPC's als een bruikbaar hulpmiddel voor het bestuderen van zowel diffractieve als perifere niet-diffractieve processen, en biedt een uniek venster op de ruimtelijke verdeling van partonen binnen de kern.
• Fundering voor Toekomstige Fysica: Deze resultaten leggen de basis voor toekomstige hoogprecisie-studies bij de High-Luminosity LHC (HL-LHC) en de toekomstige Electron-Ion Collider (EIC). Het begrijpen van factorisatiebreking en de impactparameter-afhankelijkheid van nPDF's is cruciaal voor het interpreteren van data van zware-ionen en het zoeken naar gluon-saturatie.
• Methodologische Vooruitgang: De succesvolle template-fitting van rapidity gaps om overlappende fysische processen te scheiden in een complexe omgeving (gemengde UPC-topologieën) biedt een blauwdruk voor soortgelijke analyses in andere zware-ionenexperimenten.

Kortom, dit artikel isoleert succesvol het diffractieve jetproductiecomponent in ultra-perifere Pb+Pb-botsingen, biedt de eerste experimentele beperkingen op nucleaire diffractieve PDF's en biedt nieuwe inzichten in de geometrische afhankelijkheid van fotonkerninteracties.