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

Resumo Técnico: Medição da Supressão de Jatos Frontais em Colisões Pb+Pb em $\sqrt{s_{NN}} = 5,02$ TeV

Problema e Motivação
A formação de um plasma de quarks e glúons (QGP) em colisões de íons pesados ultra-relativísticos permite o estudo da perda de energia de partons, conhecida como jet quenching. Embora a supressão de jatos inclusivos tenha sido extensivamente medida em rapididade média ($|y| \lesssim 2,8$), a região de rapididade frontal permanece amplamente inexplorada em colisões de íons pesados. Considerações teóricas sugerem que a região frontal oferece um ambiente cinemático distinto: espera-se que a fração de jatos iniciados por quarks aumente com a rapididade, enquanto os espectros iniciais de partons tornam-se mais íngremes. A expansão longitudinal do QGP também pode resultar em diferentes densidades de meio efetivo e dependências de caminho (path-length) em comparação com a rapididade média. Medições anteriores em rapididade média mostraram que a supressão de jatos depende do sabor inicial do parton (quark vs. glúon) e da inclinação do espectro. No entanto, o desmembramento desses fatores requer medições em regiões cinemáticas com diferentes composições de sabor. Este artigo aborda a falta de dados sobre a supressão de jatos inclusivos na região de rapididade frontal para fornecer novas restrições sobre a dependência de sabor, geometria e densidade do meio da perda de energia de partons.

Metodologia
A análise utiliza dados coletados pelo detector ATLAS no LHC durante o Run 2. O conjunto de dados inclui colisões Pb+Pb registradas em 2018 com uma luminosidade integrada de 1,72 nb$^{-1}$ e colisões $pp$ de 2017 com 255 pb$^{-1}$, ambos a uma energia de centro de massa por núcleon-núcleon de $\sqrt{s_{NN}} = 5,02$ TeV.

• Reconstrução de Jatos: Os jatos são reconstruídos usando o algoritmo anti-$k_t$ com um parâmetro de raio $R=0,4$. A análise foca em dois intervalos de rapididade frontal: $2,8 < |y| < 3,2$ e $3,2 < |y| < 3,6$. Um limiar de momento transversal de $p_T > 74$ GeV é aplicado para garantir a eficiência total do gatilho (trigger) e para suprimir contribuições de flutuações do evento subjacente (underlying event - UE).
• Determinação de Centralidade: A centralidade do evento em colisões Pb+Pb é estimada usando a energia transversal total nos calorímetros frontais ($\Sigma E_{FCal}^T$), correlacionada com uma simulação Monte Carlo Glauber. Quatro intervalos de centralidade são definidos: 0–10%, 10–20%, 20–50% e 50–80%.
• Subtração de Background e Calibração: A contribuição do evento subjacente para a reconstrução de jatos é subtraída por evento, levando em conta a modulação de fluxo harmônico. Correções de escala de energia de jato (JES) e resolução de energia de jato (JER) são aplicadas. A JES inclui componentes específicos para o ambiente de íons pesados para considerar potenciais modificações nos padrões de fragmentação de jatos.
• Unfolding (Desdobramento): Para corrigir efeitos de resolução do detector e migração entre bins, um método de unfolding Bayesiano unidimensional é empregado. Matrizes de resposta são construídas a partir de eventos de dijet simulados sobrepostos com dados de Pb+Pb de mínimo de eventos (minimum-bias) para modelar realisticamente o UE.
• Fator de Modificação Nuclear ($R_{AA}$): O $R_{AA}$ é calculado como a razão do rendimento de jatos normalizado por $\langle T_{AA} \rangle$ em colisões Pb+Pb em relação à seção de choque de jatos em colisões $pp$.

Principais Contribuições e Resultados
Este trabalho apresenta a primeira medição da supressão de jatos inclusivos em rapididade frontal em colisões de íons pesados.

• Observação de Supressão: Uma supressão significativa dos rendimentos de jatos é observada em colisões Pb+Pb em relação às colisões $pp$ em todos os intervalos de centralidade e regiões de rapididade medidos.
• Dependência de Centralidade e $p_T$: A magnitude de $R_{AA}$ aumenta monotonicamente de colisões centrais (0–10%) para periféricas (50–80%). A supressão exibe uma dependência suave com o $p_T$ do jato, com valores de $R_{AA}$ geralmente aumentando com $p_T$. A dependência de $p_T$ permanece comparável entre diferentes intervalos de centralidade e rapididade.
• Comparação de Rapididade:
  • Na região $2,8 < |y| < 3,2$, os valores de $R_{AA}$ medidos mostram uma tendência de serem menores do que os medidos na região de rapididade média ($|y| < 2,8$). Isso é consistente com tendências sugeridas por medições anteriores em rapididade média e pode refletir a mudança na composição de sabor (aumento da fração de quarks) e espectros mais íngremes em rapididade frontal.
  • Na região mais frontal de $3,2 < |y| < 3,6$, a precisão estatística da medição é insuficiente para tirar uma comparação conclusiva com a região $|y| < 2,8$.
• Comparação Teórica: Os valores de $R_{AA}$ medidos são comparados com três modelos teóricos: o modelo de Transporte de Boltzmann Linear (LBT), o modelo Híbrido e um Modelo Paramétrico.
  • O modelo LBT reproduz a forma do $R_{AA}$, mas subestima a magnitude da supressão.
  • O Modelo Paramétrico superestima a supressão em alto $p_T$.
  • O modelo Híbrido fornece o melhor acordo com os dados quando tanto as dispersões de Molière quanto o rastro do meio (medium wake — a resposta do QGP à energia depositada) são incluídos.

Significância
O artigo afirma que estes resultados constituem a primeira medição de supressão de jatos inclusivos na região de rapididade frontal em colisões de íons pesados. Ao sondar um regime cinemático com diferentes misturas de jatos iniciados por quarks e glúons, potencialmente diferentes densidades de meio efetivo e diferentes níveis de viés de seleção em comparação com a rapididade média, estas medições fornecem novas restrições para descrições teóricas de jet quenching. Especificamente, os dados ajudam a desmembrar a dependência de sabor da perda de energia de partons e sua dependência da geometria e densidade do QGP em expansão. Os resultados servem como um referencial (benchmark) para modelos que tentam descrever a interação entre mecanismos perturbativos e não-perturbativos nas interações jato-meio.