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Title: First measurement of large area jet transverse momentum spectra in heavy-ion collisions
A bstract Jet production in lead-lead (PbPb) and proton-proton (pp) collisions at a nucleon-nucleon center-of-mass energy of 5.02 TeV is studied with the CMS detector at the LHC, using PbPb and pp data samples corresponding to integrated luminosities of 404 μ b − 1 and 27.4 pb − 1 , respectively. Jets with different areas are reconstructed using the anti- k T algorithm by varying the distance parameter R . The measurements are performed using jets with transverse momenta ( p T ) greater than 200 GeV and in a pseudorapidity range of |η| < 2. To reveal the medium modification of the jet spectra in PbPb collisions, the properly normalized ratio of spectra from PbPb and pp data is used to extract jet nuclear modification factors as functions of the PbPb collision centrality, p T and, for the first time, as a function of R up to 1.0. For the most central collisions, a strong suppression is observed for high- p T jets reconstructed with all distance parameters, implying that a significant amount of jet energy is scattered to large angles. The dependence of jet suppression on R is expected to be sensitive to both the jet energy loss mechanism and the medium response, and so the data are compared to several modern event generators and analytic calculations. The models considered do not fully reproduce the data.  more » « less
Award ID(s):
1913624
NSF-PAR ID:
10249917
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2021
Issue:
5
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract This article presents new measurements of the fragmentation properties of jets in both proton–proton (pp) and heavy-ion collisions with the ALICE experiment at the Large Hadron Collider (LHC). We report distributions of the fraction z r of transverse momentum carried by subjets of radius r within jets of radius R . Charged-particle jets are reconstructed at midrapidity using the anti- k T algorithm with jet radius R = 0 . 4, and subjets are reconstructed by reclustering the jet constituents using the anti- k T algorithm with radii r = 0 . 1 and r = 0 . 2. In proton–proton collisions, we measure both the inclusive and leading subjet distributions. We compare these measurements to perturbative calculations at next-to-leading logarithmic accuracy, which suggest a large impact of threshold resummation and hadronization effects on the z r distribution. In heavy-ion collisions, we measure the leading subjet distributions, which allow access to a region of harder jet frag- mentation than has been probed by previous measurements of jet quenching via hadron fragmentation distributions. The z r distributions enable extraction of the parton-to-subjet fragmentation function and allow for tests of the universality of jet fragmentation functions in the quark–gluon plasma (QGP). We find no significant modification of z r distributions in Pb–Pb compared to pp collisions. However, the distributions are also consistent with a hardening trend for z r < 0 . 95, as predicted by several jet quenching models. As z r → 1 our results indicate that any such hardening effects cease, exposing qualitatively new possibilities to disentangle competing jet quenching mechanisms. By comparing our results to theoretical calculations based on an independent extraction of the parton-to-jet fragmentation function, we find consistency with the universality of jet fragmentation and no indication of factorization breaking in the QGP. 
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  2. A bstract The ALICE Collaboration reports the first fully-corrected measurements of the N -subjettiness observable for track-based jets in heavy-ion collisions. This study is performed using data recorded in pp and Pb-Pb collisions at centre-of-mass energies of $$ \sqrt{s} $$ s = 7 TeV and $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 2 . 76 TeV, respectively. In particular the ratio of 2-subjettiness to 1-subjettiness, τ 2 /τ 1 , which is sensitive to the rate of two-pronged jet substructure, is presented. Energy loss of jets traversing the strongly interacting medium in heavy-ion collisions is expected to change the rate of two-pronged substructure relative to vacuum. The results are presented for jets with a resolution parameter of R = 0 . 4 and charged jet transverse momentum of 40 ≤ p T , jet ≤ 60 GeV/ c , which constitute a larger jet resolution and lower jet transverse momentum interval than previous measurements in heavy-ion collisions. This has been achieved by utilising a semi-inclusive hadron-jet coincidence technique to suppress the larger jet combinatorial background in this kinematic region. No significant modification of the τ 2 /τ 1 observable for track-based jets in Pb-Pb collisions is observed relative to vacuum PYTHIA6 and PYTHIA8 references at the same collision energy. The measurements of τ 2 /τ 1 , together with the splitting aperture angle ∆ R , are also performed in pp collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 7 TeV for inclusive jets. These results are compared with PYTHIA calculations at $$ \sqrt{s} $$ s = 7 TeV, in order to validate the model as a vacuum reference for the Pb-Pb centre-of-mass energy. The PYTHIA references for τ 2 /τ 1 are shifted to larger values compared to the measurement in pp collisions. This hints at a reduction in the rate of two-pronged jets in Pb-Pb collisions compared to pp collisions. 
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  3. A bstract Jet fragmentation transverse momentum ( j T ) distributions are measured in proton-proton (pp) and proton-lead (p-Pb) collisions at $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 5 . 02 TeV with the ALICE experiment at the LHC. Jets are reconstructed with the ALICE tracking detectors and electromagnetic calorimeter using the anti- k T algorithm with resolution parameter R = 0 . 4 in the pseudorapidity range |η| < 0 . 25. The j T values are calculated for charged particles inside a fixed cone with a radius R = 0 . 4 around the reconstructed jet axis. The measured j T distributions are compared with a variety of parton-shower models. Herwig and P ythia 8 based models describe the data well for the higher j T region, while they underestimate the lower j T region. The j T distributions are further characterised by fitting them with a function composed of an inverse gamma function for higher j T values (called the “wide component”), related to the perturbative component of the fragmentation process, and with a Gaussian for lower j T values (called the “narrow component”), predominantly connected to the hadronisation process. The width of the Gaussian has only a weak dependence on jet transverse momentum, while that of the inverse gamma function increases with increasing jet transverse momentum. For the narrow component, the measured trends are successfully described by all models except for Herwig. For the wide component, Herwig and PYTHIA 8 based models slightly underestimate the data for the higher jet transverse momentum region. These measurements set constraints on models of jet fragmentation and hadronisation. 
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  4. A bstract A measurement of the inclusive b-jet production cross section is presented in pp and p-Pb collisions at $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 5 . 02 TeV, using data collected with the ALICE detector at the LHC. The jets were reconstructed in the central rapidity region |η| < 0 . 5 from charged particles using the anti- k T algorithm with resolution parameter R = 0 . 4. Identification of b jets exploits the long lifetime of b hadrons, using the properties of secondary vertices and impact parameter distributions. The p T -differential inclusive production cross section of b jets, as well as the corresponding inclusive b-jet fraction, are reported for pp and p-Pb collisions in the jet transverse momentum range 10 ≤ p T , ch jet ≤ 100 GeV/ c , together with the nuclear modification factor, $$ {R}_{\mathrm{pPb}}^{\mathrm{b}-\mathrm{jet}} $$ R pPb b − jet . The analysis thus extends the lower p T limit of b-jet measurements at the LHC. The nuclear modification factor is found to be consistent with unity, indicating that the production of b jets in p-Pb at $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 5 . 02 TeV is not affected by cold nuclear matter effects within the current precision. The measurements are well reproduced by POWHEG NLO pQCD calculations with PYTHIA fragmentation. 
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  5. A bstract A measurement of inclusive, prompt, and non-prompt J/ ψ production in p-Pb collisions at a nucleon-nucleon centre-of-mass energy $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 5 . 02 TeV is presented. The inclusive J/ ψ mesons are reconstructed in the dielectron decay channel at midrapidity down to a transverse momentum p T = 0. The inclusive J/ ψ nuclear modification factor R pPb is calculated by comparing the new results in p-Pb collisions to a recently measured proton-proton reference at the same centre-of-mass energy. Non-prompt J/ ψ mesons, which originate from the decay of beauty hadrons, are separated from promptly produced J/ ψ on a statistical basis for p T larger than 1.0 GeV/ c . These results are based on the data sample collected by the ALICE detector during the 2016 LHC p-Pb run, corresponding to an integrated luminosity $$ \mathcal{L} $$ L int = 292 ± 11 μ b − 1 , which is six times larger than the previous publications. The total uncertainty on the p T -integrated inclusive J/ ψ and non-prompt J/ ψ cross section are reduced by a factor 1.7 and 2.2, respectively. The measured cross sections and R pPb are compared with theoretical models that include various combinations of cold nuclear matter effects. From the non-prompt J/ ψ production cross section, the $$ \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}} $$ b b ¯ production cross section at midrapidity, $$ {\mathrm{d}\sigma}_{\mathrm{b}\overline{\mathrm{b}}} $$ d σ b b ¯ / d y , and the total cross section extrapolated over full phase space, $$ {\sigma}_{\mathrm{b}\overline{\mathrm{b}}} $$ σ b b ¯ , are derived. 
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