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

利用 2018 年 ATLAS 在$\sqrt{s_\mathrm{NN}} = 5.02$ TeV 超外围 Pb+Pb 碰撞中的数据，本文通过快速度间隙的模板拟合，在非碎裂事件中统计分离光子 - 泵普子、光子 - 光子以及外围光核过程，从而首次测量了核碰撞中的$\gamma+I\!\!P\rightarrow\mathrm{jets}$截面，同时也证实了此类事件选择的是更为外围的碰撞类别。

要点

想象两辆巨大而沉重的卡车（铅原子核）在高速公路上以接近光速的速度相向而行。通常，当这些卡车相撞时，它们会粉碎成碎片，形成一堆混乱的残骸。这就是标准重离子碰撞中发生的情况。

但在这次实验中，CERN 的 ATLAS 团队寻找的是一个非常特定且罕见的场景：“幽灵擦肩”。

设定：一次擦肩而过

想象两辆卡车并非正面相撞，而是彼此靠得如此之近，以至于它们的保险杠几乎触碰，但实际上并未发生碰撞。由于它们距离极近，它们强大的电磁场（将其想象为无形的、强烈的磁力场）发生了相互作用。

在这种“超外围碰撞”（UPC）中，一辆卡车的力场发射出一个高能光子（光粒子）。随后，这个光子撞击了另一辆卡车。

目标：捕捉“干净”的撞击

通常，当光子撞击原子核时，就像用锤子击打保龄球；球会碎裂，碎片（中子）向各个方向飞溅。实验前端的探测器（称为零度量能器）就像运动传感器，专门寻找这些飞溅的碎片。

• “混乱”的撞击：如果探测器看到飞溅的碎片（中子），它就表明原子核已经破裂。
• “干净”的撞击（本文的重点）：研究人员专门寻找没有任何碎片飞溅的事件。在光子撞击其中一辆卡车后，两辆卡车都保持完好无损。

找到这种情况极其困难，因为大多数撞击都会导致破裂。这就像试图寻找一颗被球杆击中却连震动或崩裂都没有的台球。

谜团：内部发生了什么？

当光子撞击完好的原子核时，它产生了一簇被称为“喷注”的粒子。科学家们想知道：光子是如何在撞击原子核的同时不将其击碎的？

主要有三种方式可能发生这种情况，而这篇论文就像一名侦探，在整理一堆混杂的证据以将它们区分开来：

1. “粗糙”的撞击（非衍射）：光子撞击了原子核边缘附近的部分。这是一次擦边球，产生了喷注，但原子核纯粹靠运气保持完好。
2. “平滑”的撞击（衍射）：光子将整个原子核作为一个整体进行相互作用，就像波穿过网一样。这是一种“相干”相互作用，原子核保持在一起，且相互作用由一种称为“坡梅隆”（pomeron）的粒子介导（这是一种理论粒子，起着将相互作用粘合在一起的“胶水”作用）。
3. “双光”撞击：有时，两辆卡车都会发射出光子并相互撞击，从而产生喷注。这是科学家们必须过滤掉的背景噪声。

侦探工作：“静默”测试

他们如何区分“粗糙”的撞击和“平滑”的撞击？他们寻找的是静默。

在粒子物理学中，“快度间隙”是指没有粒子产生的空白区域。

• 如果撞击是“粗糙”的（擦边），在某些方向上会有一些噪音或碎片。
• 如果撞击是“平滑”的（衍射），在碰撞的两侧会出现一个巨大的、干净的静默间隙。

该团队使用了一种统计学的“模板拟合”（就像将指纹与数据库进行匹配）来分类事件。他们观察探测器中的静默模式，以确定有多少事件是“平滑”撞击，有多少是“粗糙”撞击。

重大发现

该论文提出了两个主要观点：

1. 同类首次测量：他们首次成功测量了重离子碰撞中这些“平滑”（衍射）喷注产生的速率。这就像拍摄了一张此前仅作为传闻存在的幽灵的清晰照片。
2. “世界边缘”理论：他们发现，当原子核没有破裂（即“干净”的撞击）时，这种情况发生在两辆卡车以稍大距离擦肩而过时，比它们靠得更近并导致破裂时更为频繁。
   • 类比：想象向靶心投掷飞镖。如果你击中中心，靶子会粉碎。如果你击中边缘，靶子可能会摇晃但保持完整。数据表明，这些“干净”的撞击发生在原子核的非常边缘处。这为科学家提供了一种研究原子核“表皮”或外层的新方法，而这些在正常碰撞中很难被观察到。

为何重要（根据论文所述）

这并非关于制造新引擎或治愈疾病。这是关于理解物质构建的基本规则。通过研究这些“干净”的撞击，科学家们可以测试他们的理论，即质子和中子是如何在重原子核内部排列的，以及当它们几乎未被触碰时，“胶水”（强相互作用力）是如何将它们粘合在一起的。

简而言之：他们找到了一种通过观察原子核被光击中而不破裂来研究原子核的方法，揭示了这些温和的撞击主要发生在原子的最外层边缘。

技术摘要

以下是论文《利用 ATLAS 探测器在$\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV 下测量无核破裂超外围 Pb+Pb 碰撞中的喷注光致产生》的详细技术总结。

1. 问题与动机

在 LHC 的超相对论重离子碰撞中，高电荷原子核产生极强的电磁场，充当准实光子的源。这些光子可以在**超外围碰撞（UPCs）**中与对向原子核相互作用，而原子核之间不发生强子重叠。

• 挑战： 虽然非衍射光核过程（$\gamma + A \to \text{jets}$）已被测量，但核碰撞中的衍射过程（$\gamma + \mathbb{P} \to \text{jets}$，其中 $\mathbb{P}$ 为 pomeron）仍 largely 未被探索。衍射过程对于探测低 Bjorken-$x$ 处的核部分子分布函数（nPDFs）以及研究胶子饱和和因子化破缺至关重要。
• 具体空白： 此前 ATLAS 对 $\gamma + A \to \text{jets}$ 的测量需要发射前向中子（$0nXn$拓扑）来抑制衍射事件。本文旨在测量**$0n0n$ 拓扑**（两侧均无前向中子），该拓扑主要由以下三种过程的混合主导：
  1. 衍射 $\gamma + \mathbb{P} \to \text{jets}$（相干 pomeron 发射）。
  2. 外围非衍射 $\gamma + A \to \text{jets}$（击中核边缘的核子而未破坏原子核）。
  3. 双光子 $\gamma + \gamma \to \text{jets}$ 过程。
• 关键问题： 能否在 $0n0n$ 样本中统计分离这三种不同的物理过程，从而提取核碰撞中 inclusive $\gamma + \mathbb{P} \to \text{jets}$ 截面的首次测量结果？

2. 方法论

数据与探测器：

• 数据集： ATLAS 探测器于 2018 年记录的 $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV 的 Pb+Pb 碰撞数据，对应积分亮度为 1.72 nb$^{-1}$。
• 选择标准： 事件选择要求：
  • 至少两个喷注，$p_T > 15$ GeV 且 $|\eta| < 4.4$。
  • 零度量能器（ZDCs）： 两侧均无与中子一致的能量沉积（$E_{ZDC} < 1$ TeV），确保 $0n0n$ 拓扑。
  • 快度间隙： 至少一侧存在大快度间隙（$\sum \Delta\eta > 2.5$），以抑制强子背景。

统计分离（模板拟合）：
核心创新在于利用模板拟合，基于最小单侧快度间隙（$\Delta\eta^<_2$）分离三种贡献过程。该变量定义为探测器边缘与次近径迹或 topo-cluster 之间的间隙，在保留物理灵敏度的同时降低了对噪声的敏感性。

• 模板：
  • $\gamma + A \to \text{jets}$： 直接源自 $0nXn$ 数据（发射中子），被视为纯非衍射信号。
  • $\gamma + \mathbb{P} \to \text{jets}$ 和 $\gamma + \gamma \to \text{jets}$： 使用 Pythia 8 蒙特卡洛模拟建模。Pomeron 通量采用 Steng-Berger 形式参数化，并带有核特异性斜率参数 $B \approx 200$ GeV$^{-2}$。
• 拟合变量： 拟合在喷注系统快度（$|y_{jets}|$）和横向动量标量和（$H_T$）的区间内进行。

运动学变量：

• 对于 $\gamma + \mathbb{P}$，由于相干 pomeron 发射的对称性，使用对称变量 $|y_{jets}|$。
• 对于 $\gamma + A$，定义非对称变量 $z_-$（光子动量分数）和 $x_+$（被击中原子核动量分数）以映射运动学。

电磁解离（EMD）测量：
本文还通过比较“反向”拓扑（$Xn0n$，其中中子方向与喷注快度矛盾）来测量 EMD 发生率（即尽管满足 $0n0n$ 选择标准，发射光子的原子核仍发生破裂）。这使得能够比较 $0n0n$ 和 $0nXn$ 事件之间的碰撞参数分布。

3. 主要贡献

1. 核中 $\gamma + \mathbb{P} \to \text{jets}$ 的首次测量： 这是 LHC 上核碰撞中 inclusive 衍射喷注光致产生截面的首次提取。
2. 统计分离技术： 展示了一种稳健的方法，利用快度间隙分布在 UPC 中解耦衍射、外围非衍射和双光子过程，克服了衍射事件缺乏专属中子标记的局限。
3. 碰撞参数灵敏度： 通过比较 $0n0n$ 与 $0nXn$ 事件中的 EMD 率，该研究提供了间接证据，表明 $0n0n$ 事件选择了一类更具外围性（更大碰撞参数）的碰撞，而非 $0nXn$ 事件。
4. 因子化破缺测试： 提供了数据以检验关于相干核衍射中因子化破缺的 NLO QCD 预测。

4. 结果

截面测量：

• $\gamma + \mathbb{P} \to \text{jets}$ 的双微分截面作为 $|y_{jets}|$（对 $H_T$ 积分）和 $H_T$（对 $|y_{jets}|$ 微分）的函数被测量。
• 与理论对比： 数据与 Next-to-Leading Order (NLO) 理论预测（Guzey 和 Klasen）进行了比较，考虑了两种因子化破缺情景。
  • 标度： 理论预测很好地捕捉了截面的整体量级。
  • 形状： 数据表现出比理论预测更宽的 $|y_{jets}|$ 分布。这表明相干 pomeron 通量的建模（特别是 $t$ 依赖性或核形状因子）可能需要修正，然后才能得出关于因子化破缺的明确结论。

EMD 与碰撞参数：

• 测量了 $0n0n$ 事件中发射光子的原子核发生 EMD 的比例（$f_{EMD}^\gamma$）。
• 发现： 在修正了相关的相互 EMD 后，$0n0n$ 事件表现出比 $0nXn$ 事件显著更低的 EMD 率。
• 推论： 由于 EMD 概率与碰撞参数（$b_{AA}$）相关，这证实了 $0n0n$ 选择有效地隔离了具有更大碰撞参数（更外围）的碰撞，其中光子通量与靶核的“边缘”相互作用。这验证了使用 $0n0n$ 事件来探测 nPDFs 的碰撞参数依赖性。

5. 意义

• 核结构的新探针： 这项工作确立了 $0n0n$ UPC 作为研究衍射和外围非衍射过程的可行工具，提供了观察原子核内部分子空间分布的独特窗口。
• 未来物理的基础： 这些结果为未来高亮度 LHC (HL-LHC) 和未来电子 - 离子对撞机 (EIC) 的高精度研究奠定了基础。理解因子化破缺和 nPDFs 的碰撞参数依赖性对于解释重离子数据和寻找胶子饱和至关重要。
• 方法学进步： 成功利用快度间隙模板拟合来分离复杂环境（混合 UPC 拓扑）中重叠的物理过程，为其他重离子实验中的类似分析提供了蓝图。

总之，本文成功分离了超外围 Pb+Pb 碰撞中的衍射喷注产生分量，提供了对核衍射部分子分布函数的首个实验约束，并为光子核相互作用的几何依赖性提供了新见解。