Measurement of isolated photon plus two-jet correlations in Pb+Pb and $pp$ collisions at 5.02 TeV with ATLAS

技术摘要：Pb+Pb 与 $pp$ 碰撞中孤立光子加双喷注关联的测量（5.02 TeV）

问题与动机
对夸克-胶子等离子体（QGP）的研究在很大程度上依赖于理解高能部分子在穿过去禁闭介质时如何损失能量，这种现象被称为喷注淬火（jet quenching）。虽然在测量包括性喷注抑制和光子标记包括性喷注（$\gamma + 1$ jet）方面已取得了显著进展，但关于部分子-介质相互作用的具体性质仍存在未解决的问题。关键的开放性问题包括：能量损失的大小、其对部分子味（夸克 vs 胶子）的依赖性，以及在介质将其识别为独立实体之前，色荷之间是否存在最小分离距离（色相干性/color coherence）。

以往的光子标记包括性喷注测量为初始硬散射标度提供了基准，因为光子不通过强相互作用进行相互作用。然而，当涉及多个部分子时，由于介质的存在，回冲系统的动力学过程会更加复杂。本文通过展示 Pb+Pb 碰撞中孤立光子加双喷注（$\gamma + 2$ jets）关联的首次测量，填补了这些空白。通过分析光子的横动量平衡两个不同喷注的事件，本研究探测了多部分子系统的能量损失、不同色荷载体之间的相对能量损失，以及介质诱导的喷注对开口角（opening angle）的修改。

方法论
该分析利用了由大型强子对撞机（LHC）ATLAS 探测器记录的数据，质心能量每核子对为 $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV。数据集包括：

• $pp$ 碰撞： 2017 年数据，积分亮度为 260 pb$^{-1}$。
• Pb+Pb 碰撞： 2018 年数据，积分亮度为 1.72 nb$^{-1}$。

事件选择与重建：

• 光子： 选择横动量（$p_T$）在 90–180 GeV 范围内且伪快度 $|\eta| < 2.37$（排除过渡区）的光子。应用严格的孤立准则以确保纯度。
• 喷注： 使用 anti-$k_t$ 算法进行重建，半径参数 $R=0.2$，且 $p_T > 30$ GeV。选择小半径是为了在小角分离度下解析喷注对，并减少重离子碰撞中的背景贡献。
• 拓扑结构： 事件必须包含一个孤立光子，且在方位角相反的半球内（$\Delta\phi_{jet,\gamma} > \pi/2$）至少有两个喷注。额外的运动学限制确保喷注与光子及彼此之间保持足够的间隔。

背景减除与展开（Unfolding）：
在 Pb+Pb 碰撞中，来自不相关硬散射或底层事件（UE）涨落的组合背景是一个重大挑战。本文采用了一种新型的多喷注混合技术来校正这些贡献。该程序通过将来自相似中心度和事件平面角的最小偏差（minimum-bias）事件中的喷注与信号事件中的光子相结合，来构建背景分布。采用三步减法和加法方案，以处理背景-背景对并避免过度减除。

在背景减除之后，使用迭代贝叶斯展开法对探测器分辨率效应、运动学分箱迁移以及重建效率进行校正。结果在粒子能级上报告。

关键观测物理量
通过测量三个观测物理量来表征多部分子系统：

1. $x_{JJ\gamma}$： 两个喷注的矢量和的大小与光子 $p_T$ 的比值。它表征了多部分子系统的整体能量损失。
2. $A_{JJ\gamma}$： 两个喷注 $p_T$ 值之差除以光子 $p_T$ 的不对称性。它探测了两个色荷载体之间的相对能量损失。
3. $\Delta R_{JJ}$： 两个喷注之间的角距离。它对介质诱导的喷注开口角修改以及潜在的色相干效应具有敏感性。

结果
本文展示了 $pp$ 碰撞以及三种中心度区间（0–10%、10–30% 和 30–80%）下 Pb+Pb 碰撞的展开分布。

• 抑制： 在所有三个观测物理量和所有中心度区间中，观察到 Pb+Pb 碰撞中的单光子双喷注产额相对于 $pp$碰撞存在显著抑制，表现为核修饰因子$I_{AA} < 1$。
• 中心度依赖性： 抑制在最中心碰撞（0–10%）中最明显，并随着碰撞变得更外围（30–80%）而减小，这与 QGP 体积和温度在中心碰撞中更大的预期一致。
• 运动学趋势： 在最中心碰撞中，$I_{AA}$ 随较大的 $x_{JJ\gamma}$、$A_{JJ\gamma}$ 和 $\Delta R_{JJ}$ 而减小，表明对于具有更高能量不平衡或更大角分离度的事件，抑制作用更强。
• 模型比较： 将实验结果与三种理论喷注淬火模型进行了比较：Jewel、Jetscape 和 Lbt。
  • 所有模型都定性地描述了 $x_{JJ\gamma}$ 分布，预测在高 $x_{JJ\gamma}$ 处有更大的抑制。
  • $A_{JJ\gamma}$ 分布得到了较好的描述，尽管 Jewel 略微高估了 $I_{AA}$。
  • 对于 $\Delta R_{JJ}$，数据显示具有较大角分离度的双喷注事件受到的抑制较少。虽然 Jetscape 和 Lbt 描述了这一趋势，但 Jewel 预测了相反的趋势，即在小角分离度下表现出显著的抑制。

意义与主张
本文声称，这些测量为 QGP 中能量损失的微观过程提供了新的约束。具体而言，$\gamma + 2$ jet 拓扑结构允许研究：

• 多部分子系统而非单个喷注的能量损失。
• 不同色荷（夸克 vs 胶子喷注）之间的相对能量损失。
• 介质在不同角分离度下对色荷的解析。

作者指出，这些结果为理论模型的底层假设提供了进一步的检验，这将有助于完善它们对部分子-介质相互作用的描述。本文并未声称已最终解决色相干性的本质，但指出数据为较大角分离度下的可能效应提供了约束，而这一相空间此前并未通过此类测量得到良好的约束。与模型的比较凸显了当前理论框架（特别是关于 $\Delta R_{JJ}$ 的 Jewel 模型）可能需要调整，以充分捕捉所观测到的物理现象。