[論文レビュー] Charm and beauty production at LHC

N. Carrer, A. Dainese|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 9被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、LHCエネルギーにおけるcharmおよびbeautyクォークの生成断面積と運動量分布について、次-leading order (NLO) pQCD計算を提示し、pp、p–Pb、Pb–Pb衝突にまで外挿している。ALICE検出器の性能評価のためのベースライン予測を確立し、PYTHIAイベントジェネレータをNLO結果を再現するようにチューニングし、さまざまな衝突系および急速度領域におけるDおよびBメソンの横運動量分布と生成率を報告している。実験計画に向けた重要なパラメータ、例えば $p_{\rm t}^0$ および $< p_{\rm t}\u003e$ が定量的に評価されている。

ABSTRACT

This note will be part of Chapter 6.5 of the ALICE Physics Performance Report (PPR), "ALICE Physics: Charm and Beauty", where the capabilities of ALICE for the detection of open heavy flavour particles will be described. We define here the present ALICE baseline for what concerns the heavy flavour production cross sections at LHC and the kinematical distributions of the heavy quark pairs. We start by qualitatively assessing the Bjorken x regimes accessible with charm and beauty measurements at LHC with ALICE (Section 1). In Section 2 we report the most recent results (and the uncertainties) of the next-to-leading order (NLO) pQCD calculations for the cross sections in pp collisions at LHC energies. These results are extrapolated to Pb-Pb collisions in Section 3.1 and to p-Pb collisions in Section 3.2, taking into account nuclear shadowing and parton intrinsic transverse momentum broadening.Heavy quark kinematics as given by the NLO pQCD calculation are reported in Section 4. We tuned the PYTHIA event generator in order to reproduce such results for what concerns the c and b quarks transverse momentum distributions (Section 5). Finally, we report the yields and transverse momentum distributions for D and B mesons (Section 6).

研究の動機と目的

• LHCエネルギーにおける重クォーク生成断面積および運動量分布のベースライン予測を、ALICE物理性能フレームワーク内に確立すること。
• pp、p–Pb、Pb–Pb衝突におけるcharmおよびbeautyクォークのアクセス可能なBjorken-$x$領域を特定し、低-$x$ダイナミクスに焦点を当てる。
• 核子衝突にまでNLO pQCD結果を外挿し、シャドウイングやパートンの固有横運動量拡散といった核効果を考慮すること。
• PYTHIAイベントジェネレータを、charmおよびbeautyクォークの横運動量分布をNLO pQCD結果に一致させるようにチューニングすることにより、現実的なモンテカルロシミュレーションを可能にすること。
• ALICE検出器の性能評価のため、さまざまな衝突系および急速度領域におけるDおよびBメソンの生成率および $p_{\rm t}$ 分布の定量的推定を提供すること。

提案手法

• 次-leading order (NLO) pQCD計算を用いて、$\sqrt{s} = 14$ TeVにおけるpp衝突における $c\overline{c}$ および $b\overline{b}$ 対生成の包含断面積を計算している。
• charmおよびbeauty生成の $x$-依存性は、$x_{1,2} = \frac{M_{Q\overline{Q}}}{\sqrt{s_{\rm NN}}} \exp{\pm y_{Q\overline{Q}}}$ の関係式を用いて導出され、さまざまな衝突系で測定されるBjorken-$x$領域の推定が可能になっている。
• 核効果（核シャドウイングおよびパートンの固有横運動量拡散）を組み込み、NLO結果をPb–Pbおよびp–Pb衝突にまで外挿している。パラメータは既存のパラメータライゼーションから採用している。
• PYTHIA 6.150イベントジェネレータは、$p_{\rm t}^{\rm hard}$ カットオフおよび固有 $k_{\rm t}$ パラメータの調整により、NLO pQCDの $p_{\rm t}$ 分布を再現するようにチューニングされている。
• DおよびBメソンの横運動量分布は、$\frac{1}{p_{\rm t}} \frac{{\rm d}N}{{\rm d}p_{\rm t}} \propto \left[1 + \left(\frac{p_{\rm t}}{p_{\rm t}^0}\right)^2\right]^{-n}$ の関数形にフィットされ、シミュレーションからパラメータが抽出された。
• pp、p–Pb、Pb–Pb衝突におけるDおよびBメソンの生成率および平均 $p_{\rm t}$ 値は、それぞれ $\sqrt{s_{\rm NN}} = 14$、8.8、5.5 TeVで、中央領域（$|y|<1$）および前方領域（$2.5<y<4$）の急速度領域について計算された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるpp、p–Pb、Pb–Pb衝突におけるcharmおよびbeautyクォーク生成が、どの程度のBjorken-$x$値をプローブしているか？
• RQ2 $\sqrt{s} = 14$ TeVにおけるpp衝突における $c\overline{c}$ および $b\overline{b}$ 生成断面積のNLO pQCD計算結果は、実験的期待値とどのように一致するか？
• RQ3 p–PbおよびPb–Pb衝突における核効果（シャドウイングやパートンの固有横運動量拡散）は、pp衝突と比較して重クォーク生成にどのように影響するか？
• RQ4 さまざまな衝突系および急速度窓におけるDおよびBメソンの予測された横運動量分布および平均 $p_{\rm t}$ 値は何か？
• RQ5 LHCのさまざまな衝突系において、NLO pQCD結果を再現するためのPYTHIAチューニングパラメータ（例：$p_{\rm t}^{\rm hard}$、$k_{\rm t}$）は何か？

主な発見

• 中央急速度領域では、LHCにおけるcharm生成は $x \sim 2 \times 10^{-4}$ をプローブしており、これはRHICの2個のオーダー低い。SPSと比較すると3個のオーダー低い。
• LHCにおけるbeauty生成は、しきい値で $x \sim 2 \times 10^{-4}$ をプローブしており、$M_{Q\overline{Q}}$ が高くなると $x$ 値はさらに低下する。
• Dメソンの平均横運動量 $\langle p_{\rm t}\rangle$ は、$\sqrt{s} = 14$ TeVのpp衝突で $|y|<1$ の領域において約1.85 GeV/$c$、8.8 TeVのp–Pb衝突で1.83 GeV/$c$ である。
• Bメソンの平均 $p_{\rm t}$ は、$\sqrt{s} = 14$ TeVのpp衝突で $|y|<1$ の領域において4.90 GeV/$c$、5.5 TeVのPb–Pb衝突で4.89 GeV/$c$ である。
• pp衝突（14 TeV）におけるDメソンの $p_{\rm t}$ 分布は、$p_{\rm t}^0 = 2.04$ GeV/$c$ および $n = 2.65$ で最もよくフィットされる。Bメソンの場合は、$p_{\rm t}^0 = 6.04$ GeV/$c$ および $n = 2.88$ である。
• DおよびBメソンの平均 $p_{\rm t}$ は、中央急速度領域（$|y|<1$）で前方領域（$2.5<y<4$）よりも約10%高い。これは検出器の受容性の違いに起因する。