Centrality dependence of charged-particle pseudorapidity density at midrapidity in Pb-Pb collisions at $\mathbf{\sqrt{\textit{s}_{\rm NN}} = 5.36}$ TeV

技术摘要：Pb–Pb 碰撞在 $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV 下中心度依赖的中间快度带电粒子伪快度密度

问题与背景
高能重离子碰撞中产生的粒子多重数是表征系统几何结构、约束粒子产生机制以及估算初始能量密度的主要观测物理量。虽然之前的测量确立了较低能量（例如 $\sqrt{s_{NN}} = 2.76$ 和 $5.02$ TeV）下的趋势，但大型强子对撞机（LHC）在进入第三运行阶段（Run 3）时，其升级后的探测器已具备在显著更高的相互作用速率下运行的能力。本文旨在解决在新的 LHC Run 3 能量 $\sqrt{s_{NN}} = 5.36$ TeV 下，首次测量 Pb–Pb 碰撞中带电粒子伪快度密度（$dN_{ch}/d\eta$）的需求。此外，本文还旨在验证升级后的 ALICE 装置及其新的连续读出策略在这些高速率条件下的性能。

方法论
本分析利用了 2023 年由 ALICE 实验记录的 $1.1 \times 10^9$ 个最小偏置（minimum-bias）Pb–Pb 碰撞数据集，对应于事件选择前约 $130 \, \mu\text{b}^{-1}$ 的积分亮度。在应用事件选择标准后，最终分析的样本包含约 $0.2 \times 10^9$ 个事件。研究采用了升级后的 ALICE 探测器组件：

• 内层追踪系统 (ITS2)： 七层单模态有源像素传感器 (MAPS)，提供了改进的指向分辨率。
• 时间投影室 (TPC)： 经过升级，配备了气电子倍增器 (GEM) 薄层，以管理连续读出模式下的离子回流。
• 快速相互作用触发器 (FIT)： 特别是 FT0 探测器，用于事件选择、碰撞时间确定以及中心度估算。

数据处理与重建：
由于采用连续读出模式（即单个时间帧包含多次碰撞，平均每个 TPC 漂移周期包含五个 Pb–Pb 事件），分析实施了一种新的重建策略。轨迹通过相对于 FIT 信号的时间戳与碰撞顶点相关联。研究发现，对于选定的数据，轨迹与顶点的歧义性可以忽略不计（亚百分比水平）。

• 事件选择： 基于 FT0A 和 FT0C 的命中情况选择最小偏置事件。事件被限制在距离相互作用点纵向顶点 10 cm 以内的位置。
• 中心度确定： 中心度类别使用 FT0C 探测器中信号的原始振幅来定义。这些振幅使用结合了参与核子数 $N_{part}$ 和二元碰撞数 $N_{coll}$ 的两分量模型以及负二项分布 (NBD) 的 Glauber 模型进行拟合，后者用于描述粒子产生源。
• 轨迹选择： 分析使用了“全局轨迹”（结合了 ITS 和 TPC 命中）和“仅 ITS 轨迹”。由于指向分辨率较低，排除了仅含 TPC 的轨迹。
• 修正： 原始伪快度密度针对探测器接受度、重建效率以及二次粒子背景进行了修正。针对长寿命奇特粒子（$K^0_S$, $\Lambda$, $\bar{\Lambda}$）的弱衰变污染，应用了特定的修正，其中利用了从数据到模拟对比中得出的奇异性增强因子 (SEF) 1.1。同时还应用了事件和信号损失修正。

关键结果
论文展示了带电粒子伪快度密度（$dN_{ch}/d\eta$）作为伪快度（$\eta$）和中心度（0–90%）的函数。

• 中间快度密度： 对于 0–5% 最中心碰撞，中间快度（$|\eta| < 0.5$）的平均带电粒子伪快度密度测量值为 $\langle dN_{ch}/d\eta \rangle = 2010 \pm 53$（系统误差）。对于 80–90% 边缘碰撞类，该值为 $21.5 \pm 2.7$。
• 归一化： 当归一化到平均参与核子对数（$\langle N_{part} \rangle / 2$）时，0–5% 中心度类的数值为 $10.5 \pm 0.3$。
• 能量依赖性： 归一化后的多重数遵循幂律依赖关系 $\sqrt{s_{NN}^\beta}$，其中 $\beta = 0.155 \pm 0.003$。该值与之前 ALICE 在 $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV 下的测量结果一致，并证实了由 RHIC、SPS 及先前 LHC 运行所建立的低能趋势。指数 $\beta$ 显著大于在非弹性质子-质子碰撞中观察到的值（$\beta \approx 0.102$），表明在中心重离子碰撞中，多重数随能量增加的速度更快。
• 中心度依赖性： 归一化后的多重度 $(2/\langle N_{part} \rangle)\langle dN_{ch}/d\eta \rangle$ 从中心碰撞到边缘碰撞减少了约 1.75 倍。
• 模型比较： 数据与多种理论模型进行了比较，包括 HYDJET++、PYTHIA 8.3/Angantyr、IP-Glasma 和 McDIPPER。虽然初始态模型和 PYTHIA 8.3/Angantyr 捕捉到了中心度依赖性的定性形状，但它们在整个中心度范围内都系统性地低估了数据的量级。带有强子级联模拟的 McDIPPER 模型对中心碰撞提供了合理的描述，但无法重现完整的中心度依赖性。

意义与主张
论文声称，这项工作是证明升级后的 ALICE 探测器及其新的在线-离线软件框架 (O2) 在连续读出模式下分析高相互作用速率数据能力的重要里程碑。研究结果提供了目前最高 LHC 能量下粒子产生的首次特征化描述。作者强调，这些测量结果为后续的 Run 3 分析提供了关键参考，并为涉及夸克-胶子等离子体形成的核碰撞中的粒子产生理论模型提供了严格的约束。论文谦逊地总结道，尽管数据证实了既定趋势，但所考虑的没有任何理论模型能够定量地重现整个中心度范围内的所有数据，这凸显了进一步理论发展的必要性。