[論文レビュー] Charm-quark fragmentation fractions and production cross section at midrapidity in pp collisions at the LHC

Afd Subatomic Physics (SAP), S. Acharya+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 70被引用数 77

ひとこと要約

本論文は、ALICEデータを用いて、√s = 5.02 TeV の pp 衝突において、中間速さ（|y| < 0.5）における charm クォークのフラグメンテーション分率および charm 生産断面積の最初の測定を報告する。e⁺e⁻ 衝突と比較して、Λ⁺c のフラグメンテーション分率が 3.3 倍に増加したという 5σ の有意性を示しており、異なる衝突系におけるフラグメンテーション関数の普遍性に疑問を呈する。

ABSTRACT

Recent pT-integrated cross-section measurements of the ground-state charm mesons and baryons, D0, D+, Ds+, Λc+, and Ξc0, are used to evaluate the charm fragmentation fractions and production cross section per unit of rapidity at midrapidity (|y|&lt;0.5), in pp collisions at √s=5.02 TeV at the LHC. The latter is dσcc¯/dy||y|&lt;0.5=1165±44(stat)-101+134(syst) μb. These measurements were obtained for the first time in hadronic collisions at the LHC, including the charm baryon states, recently measured by ALICE at midrapidity. The charm fragmentation fractions differ significantly from the values measured in e+e- and ep collisions, providing evidence of the dependence of the parton-to-hadron fragmentation fractions on the collision system, indicating that the assumption of their universality is not supported by the measured cross sections. An increase of a factor of about 3.3 for the fragmentation fraction for the Λc+ with a significance of 5σ between the values obtained in pp collisions and those obtained in e+e- (ep) collisions is reported. The fragmentation fraction for the Ξc0 was obtained for the first time in any collision system. The measured fragmentation fractions were used to update the cc¯ cross sections per unit of rapidity at |y|&lt;0.5 at √s=2.76 and 7 TeV, which are about 40% higher than the previously published results. The data were compared with perturbative-QCD calculations and lie at the upper edge of the theoretical bands.

研究の動機と目的

• √s = 5.02 TeV の pp 衝突において、中間速さ（|y| < 0.5）における charm クォークのフラグメンテーション分率および単位速さあたりの生産断面積を測定すること。
• 異なる衝突系（pp と e⁺e⁻、ep）における charm クォークのフラグメンテーション関数の普遍性を検証すること。
• charm バリオンに関する新しいデータを用いて、√s = 2.76 および 7 TeV における cc 生産の更新された断面積を提供すること。
• 微小な QCD 計算を制約し、重イオン衝突における charm ハドロ生産のモデル化を改善すること。
• 正確なベースライン断面積を提供することで、クォーク–グルーオンプラズマ内における charmonium 再生成の研究を支援すること。

提案手法

• ALICE 検出器で得られた、√s = 5.02 TeV の pp 衝突データを用い、D⁰、D⁺、Dₛ⁺、Λ⁺c、Ξ₀c バリオンの pT 結合断面積を再構築された崩壊から測定した。
• 2017 年の LHC ラン期間中に収集した、統合された放射線量 19.3 ± 0.4 nb⁻¹ の最小バイアストリガを用いた。
• 全断面積を再構築するために、トラッキング効率、粒子識別、再構築効率、および pT 外挿補正を適用した。
• 放射線量、分岐比、およびベータヒドロニクスからの寄与を含む系統的不確実性を伝搬した。
• フラグメンテーション分率を、D⁰ の断面積に対する各ハドロン断面積の比として計算し、相関する不確実性を含めた。
• 理論的整合性を評価するために、pQCD 計算（例：FONLL、PYTHIA 8）および統計モデル（SHM）と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 pp、e⁺e⁻、ep などの異なる衝突系において、charm クォークのフラグメンテーション分率は普遍的か？
• RQ2 √s = 5.02 TeV の pp 衝突において、中間速さ（|y| < 0.5）における charm クォークの単位速さあたりの生産断面積はいかほどか？
• RQ3 Λ⁺c および Ξ₀c バリオンのフラグメンテーション分率は、e⁺e⁻ 衝突で測定された値と比べてどの程度か？
• RQ4 現在の pQCD 計算は、特に charm バリオンを含めた測定断面積をどの程度うまく再現できるか？
• RQ5 新しい測定結果は、以前に発表された √s = 2.76 および 7 TeV における cc 断面積にどのような影響を与えるか？

主な発見

• √s = 5.02 TeV の pp 衝突において、中間速さ（|y| < 0.5）における charm 生産断面積は、dσcc/dy||y|<0.5 = 1165 ± 44 (統計) +134⁄−101 (系統) µb として測定された。
• pp 衝突における Λ⁺c のフラグメンテーション分率は、e⁺e⁻ または ep 衝突と比較して約 3.3 倍高いことが判明し、有意水準は 5σ であった。
• 本研究は、いかなる衝突系でも Ξ₀c のフラグメンテーション分率が初めて測定されたものであり、その値は 0.022 ± 0.005 (統計) ± 0.004 (系統) であった。
• charm バリオンの測定断面積により、√s = 2.76 および 7 TeV における更新された cc 断面積は、以前の結果と比較して 40% 増加した。
• データは理論的 pQCD バンドの上端に位置しており、現在の計算が断面積を低く見積もっている可能性を示唆している。
• 結果はフラグメンテーション関数の普遍性の仮定に疑問を呈しており、衝突系に強く依存することを示している。