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

技术摘要：$\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV 下 Pb+Pb 碰撞中前向射流抑制的测量

问题与动机
超相对论性重离子碰撞中夸克-胶子等离子体（QGP）的形成，使得研究部分子能量损失（即喷注淬火，jet quenching）成为可能。虽然在中间快度（$|y| \lesssim 2.8$）区域已经对包括射流在内的喷注抑制进行了广泛测量，但前向快度区域在重离子碰撞中仍很大程度上处于探索空白。理论考量表明，前向区域提供了一个独特的运动学环境：随着快度的增加，由夸克引发的射流比例预计会增加，同时初始部分子能谱也会变得更加陡峭。此外，QGP 的纵向膨胀可能导致与中间快度相比不同的有效介质密度和路径长度依赖性。以往在中间快度区域的测量表明，射流抑制取决于初始部分子的种类（夸克 vs 胶子）以及能谱的陡峭程度。然而，要将这些因素区分开来，需要在具有不同组分特征的运动学区域进行测量。本文旨在解决前向快度区域包括射流抑制数据缺失的问题，从而为部分子能量损失的味（flavor）、几何以及介质密度依赖性提供新的约束。

方法论
本分析利用了 LHC 在 Run 2 期间由 ATLAS 探测器采集的数据。数据集包括 2018 年记录的具有 1.72 nb$^{-1}$ 积分亮度的 Pb+Pb 碰撞，以及 2017 年来自 255 pb$^{-1}$ 的 $pp$碰撞，两者在核-核质心能量下均为$\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV。

• 射流重建： 使用半径参数 $R=0.4$ 的 anti-$k_t$ 算法重建射流。分析重点关注两个前向快度区间：$2.8 < |y| < 3.2$ 和 $3.2 < |y| < 3.6$。应用了横向动量阈值 $p_T > 74$ GeV，以确保全触发效率并抑制来自底层事件（UE）涨落的贡献。
• 中心度确定： Pb+Pb 碰撞中的事件中心度通过前向量热计中的总横向能量（$\Sigma E_{FCal}^T$）结合 Monte Carlo Glauber 模拟进行估算。定义了四个中心度区间：0–10%、10–20%、20–50% 和 50–80%。
• 背景减除与校准： 在事件层面减去用于射流重建的底层事件贡献，并考虑了谐波流调制。应用了射流能量标度（JES）和射流能量分辨率（JER）修正。JES 包含了针对重离子环境的特定组分，以解释射流碎裂模式可能存在的改变。
• 解卷积（Unfolding）： 为了修正探测器分辨率效应和能级间的迁移，采用了一维贝叶斯解卷积方法。响应矩阵通过将模拟的二射流（dijet）事件叠加在最小偏差（minimum-bias）Pb+Pb 数据上构建而成，以真实地模拟底层事件（UE）。
• 核修正因子 ($R_{AA}$)： $R_{AA}$ 计算为 $\langle T_{AA} \rangle$ 归一化后的 Pb+Pb 碰撞射流产额与 $pp$ 碰撞射流截面的比值。

主要贡献与结果
这项工作展示了重离子碰撞中前向快度下包括射流抑制的首次测量。

• 抑制观测： 在所有测量的中心度和快度区间内，均观察到 Pb+Pb 碰撞相对于 $pp$ 碰撞存在显著的射流产额抑制。
• 中心度与 $p_T$ 依赖性： $R_{AA}$ 的量级从中心碰撞（0–10%）到外围碰撞（50–80%）单调增加。抑制表现出对射流 $p_T$ 的轻微依赖，即 $R_{AA}$ 值通常随 $p_T$ 增加。这种 $p_T$ 依赖性在不同的中心度和快度区间内保持相似。
• 快度比较：
  • 在 $2.8 < |y| < 3.2$ 区域，测得的 $R_{AA}$ 值呈现出低于中间快度区域（$|y| < 2.8$）的趋势。这与以往中间快度测量所暗示的趋势一致，可能反映了前向快度下变化的味组分（夸克比例增加）和更陡峭的能谱。
  • 在更前向的 $3.2 < |y| < 3.6$ 区域，由于测量统计精度不足，无法得出与 $|y| < 2.8$ 区域进行结论性比较的结果。
• 理论比较： 将测得的 $R_{AA}$ 值与三个理论模型进行了比较：线性玻尔兹曼输运（LBT）模型、混合（Hybrid）模型和参数化模型。
  • LBT 模型能够复现 $R_{AA}$ 的形状，但低估了抑制的量级。
  • 参数化模型在高 $p_T$ 处高估了抑制程度。
  • 当同时包含 Molière 散射和介质尾迹（medium wake，即 QGP 对沉积能量的响应）时，混合模型与实验数据吻合得最好。

意义
本文声称这些结果构成了重离子碰撞中前向快度下包括射流抑制的首次测量。通过探测一个具有不同夸克和胶子起始射流混合比例、潜在不同有效介质密度以及与中间快度相比具有不同选择偏差水平的运动学区域，这些测量为描述射流淬火的理论模型提供了新的约束。具体而言，数据有助于区分部分子能量损失的味依赖性及其对膨胀中 QGP 的几何和密度的依赖性。这些结果为试图描述射流-介质相互作用中微扰与非微扰机制之间相互作用的模型提供了基准。