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

Technische Samenvatting: Meting van de onderdrukking van forward jets in Pb+Pb-botsingen bij $\sqrt{s_{NN}} = 5,02$ TeV

Probleem en Motivatie
De vorming van een quark-gluonplasma (QGP) in ultrarelativistische zware-ionenbotsingen maakt het mogelijk om de energieverlies van parton te bestuderen, bekend als jet-quenching. Hoewel inclusieve jet-onderdrukking uitgebreid is gemeten bij mid-rapidity ($|y| \lesssim 2,8$), blijft de forward rapidity-regio grotendeels onverkend in zware-ionenbotsingen. Theoretische overwegingen suggereren dat de forward-regio een afwijkende kinematische omgeving biedt: het aandeel door quarks geïnitieerde jets wordt verwacht toe te nemen met de rapidity, terwijl de initiële parton-spectra steiler worden. Bovendien kan de longitudinale expansie van het QGP resulteren in verschillende effectieve mediumdensiteiten en padlengte-afhankelijkheden vergeleken met mid-rapidity. Eerdere metingen bij mid-rapidity hebben aangetoond dat jet-onderdrukking afhangt van de initiële parton-flavor (quark versus gluon) en de steilheid van het spectrum. Het ontrafelen van deze factoren vereist echter metingen in kinematische regio's met verschillende flavor-composities. Dit artikel adresseert het gebrek aan data over inclusieve jet-onderdrukking in de forward rapidity-regio om nieuwe beperkingen op te leggen aan de flavor-, geometrische en mediumdensiteit-afhankelijkheid van parton-energieverlies.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van data verzameld door de ATLAS-detector bij de LHC tijdens Run 2. De dataset bevat Pb+Pb-botsingen opgenomen in 2018 met een geïntegreerde luminositeit van 1,72 nb$^{-1}$ en $pp$-botsingen uit 2017 met 255 pb$^{-1}$, beide bij een nucleon-nucleon middelpunt-van-massa energie van $\sqrt{s_{NN}} = 5,02$ TeV.

• Jet-reconstructie: Jets worden gereconstrueerd met het anti-$k_t$-algoritme met een straalparameter $R=0,4$. De analyse richt zich op twee forward rapidity-intervallen: $2,8 < |y| < 3,2$ en $3,2 < |y| < 3,6$. Een transversale momentumdrempel van $p_T > 74$ GeV wordt toegepast om volledige trigger-efficiëntie te garanderen en bijdragen van fluctuaties in de underlying event (UE) te onderdrukken.
• Centraliteitsbepaling: Event-centraliteit in Pb+Pb-botsingen wordt geschat met behulp van de totale transversale energie in de forward calorimeters ($\Sigma E_{FCal}^T$), gecorreleerd met een Monte Carlo Glauber-simulatie. Vier centraliteitsintervallen zijn gedefinieerd: 0–10%, 10–20%, 20–50% en 50–80%.
• Achtergrondsubtractie en Kalibratie: De bijdrage van de underlying event aan de jet-reconstructie wordt op event-voor-event basis afgetrokken, waarbij rekening wordt gehouden met harmonische flow-modulatie. Correcties voor de jet-energyschaal (JES) en de jet-energieresolutie (JER) worden toegepast. De JES bevat componenten die specifiek zijn voor de heavy-ion omgeving om mogelijke modificaties in jet-fragmentatiepatronen te accounten.
• Unfolding: Om effecten van detectorresolutie en migratie tussen bins te corrigeren, wordt een eendimensionale Bayesiaanse unfolding-methode toegepast. Responsmatrices worden geconstrueerd uit gesimuleerde dijet-events die zijn overgelegd met minimum-bias Pb+Pb-data om de UE realistisch te modelleren.
• Nucleaire Modificatiefactor ($R_{AA}$): De $R_{AA}$ wordt berekend als de ratio van de met $\langle T_{AA} \rangle$-genormaliseerde jet-opbrengst in Pb+Pb-botsingen ten opzichte van de jet-doorsnede in $pp$-botsingen.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten
Dit werk presenteert de eerste meting van inclusieve jet-onderdrukking bij forward rapidity in zware-ionenbotsingen.

• Observatie van Onderdrukking: Significante onderdrukking van jet-opbrengsten wordt waargenomen in Pb+Pb-botsingen ten opzichte van $pp$-botsingen over alle gemeten centraliteitsintervallen en rapidity-regio's.
• Centraliteit en $p_T$-afhankelijkheid: De magnitude van $R_{AA}$ neemt monotoon toe van centrale (0–10%) naar perifere (50–80%) botsingen. De onderdrukking vertoont een milde afhankelijkheid van de jet $p_T$, waarbij $R_{AA}$-waarden over het algemeen toenemen met $p_T$. De $p_T$-afhankelijkheid blijft vergelijkbaar over verschillende centraliteits- en rapidity-intervallen.
• Rapidity-vergelijking:
  • In de $2,8 < |y| < 3,2$ regio vertonen de gemeten $R_{AA}$-waarden een neiging om lager te zijn dan de gemeten waarden in de mid-rapidity regio ($|y| < 2,8$). Dit is consistent met trends gesuggereerd door eerdere mid-rapidity metingen en kan een reflectie zijn van de veranderende flavor-compositie (toenemend aandeel quarks) en steilere spectra bij forward rapidity.
  • In de meer forward regio van $3,2 < |y| < 3,6$ is de statistische precisie van de meting onvoldoende om een concludente vergelijking met de $|y| < 2,8$ regio te trekken.
• Theoretische Vergelijking: De gemeten $R_{AA}$-waarden worden vergeleken met drie theoretische modellen: het Linear Boltzmann Transport (LBT) model, het Hybride model en een Parametrisch Model.
  • Het LBT-model reproduceert de vorm van de $R_{AA}$, maar onderschat de magnitude van de onderdrukking.
  • Het Parametrische Model overschat de onderdrukking bij hoge $p_T$.
  • Het Hybride model biedt de beste overeenkomst met de data wanneer zowel Molière-verstrooiingen als de medium wake (de respons van het QGP op gedeponeerde energie) worden meegenomen.

Significantie
Het artikel stelt dat deze resultaten de eerste meting vormen van inclusieve jet-onderdrukking in de forward-rapidity regio in zware-ionenbotsingen. Door een kinematische regime te verkennen met verschillende mengsels van quark- en gluon-geïnitieerde jets, potentieel verschillende effectieve mediumdensiteiten en verschillende niveaus van selectiebias vergeleken met mid-rapidity, bieden deze metingen nieuwe beperkingen voor theoretische beschrijvingen van jet-quenching. Specifiek helpen deze data om de flavor-afhankelijkheid van parton-energieverlies en de afhankelijkheid van de geometrie en dichtheid van het expanderende QGP te ontrafelen. De resultaten dienen als een benchmark voor modellen die proberen de interactie tussen perturbatieve en niet-perturbatieve mechanismen in jet-medium interacties te beschrijven.