[論文レビュー] Correlations of $μμ$, $eμ$, and $ee$ pairs in $p$+$p$ collisions at $\sqrt{s}=200$ GeV and implications for $c\bar{c}$ and $b\bar{b}$ production mechanisms

C. Aidala, Y. Akiba+292 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、PHENIXデータを用いて、$√s} = 200$ GeVにおける$p+p$衝突における$c\bar{c}$および$b\bar{b}$クォーク対から生じるミュオン、電子-ミュオン、および電子対の角度相関を分析した。対生成（PC）が$b\bar{b}$生成を支配しており（76%±19%）、一方$c\bar{c}$生成ではフラバー励起（FE）が支配的であり、データはPOWHEGではなくPYTHIA Tune Aによって最もよく記述されることがわかった。

ABSTRACT

PHENIX has measured the azimuthal correlations of muon pairs from charm and bottom semi-leptonic decays in $p$+$p$ collisions at $\sqrt{s}=200$ GeV, using a novel analysis technique utilizing both unlike- and like-sign muon pairs to separate charm, bottom and Drell-Yan contributions. The dimuon measurements combined with the previous electron-muon and dielectron measurements span a wide range in rapidity, and are well described by PYTHIA Tune A. Through a Bayesian analysis based on PYTHIA Tune A, we show that leading order pair creation is the dominant $(76\%\pm^{14}_{19}\%)$ contribution for $b\bar{b}$ production, whereas the data favor the scenario in which next-to-leading-order processes dominate $c\bar{c}$ production. The small contribution of next-to-leading-order processes in $b\bar{b}$ production at the collision energies of the Relativistic Heavy Ion Collider contrasts with the case at Large-Hadron-Collider energies, where next-to-leading-order processes are expected to dominate.

研究の動機と目的

• 200 GeVにおける$p+p$衝突における$c\bar{c}$および$b\bar{b}$生成に寄与する対生成（PC）、フラバー励起（FE）、グルーオン分裂（GS）の相対的寄与を特定すること。
• 角度相関データを用いて、高次クォーク生成におけるLeading-OrderおよびNext-to-Leading-Orderメカニズムの妥当性を検証すること。
• 観測された$\mu\mu$、$e\mu$、$ee$対の角度相関を最もよく記述するモデルがPYTHIA Tune AかPOWHEGかを評価すること。
• ベイズ形状解析を用いて、各メカニズムによる$c\bar{c}$および$b\bar{b}$対生成の割合を制約すること。
• A+Aおよび$p+A$衝突における重クォーク生成の解釈の基盤を築くために、$p+p$衝突における基本的メカニズムを確立すること。

提案手法

• $\mu\mu$、$e\mu$、$ee$対の角度相関を、前方-前方、ミッド-前方、ミッド-ミッドの3つのラピディティ領域で測定する。
• 相対的寄与の抽出を目的として、統合された角度相関データに対してベイズ形状解析を実施する。
• PYTHIA Tune AおよびPOWHEGが生成したモンテカルロシミュレーションとデータ分布を比較し、モデルの整合性を評価する。
• 階層ベイズモデルを用いて、異なる生成メカニズムに確率を割り当て、不確実性を95%信用区間で表現する。
• 理論的期待と運動量的制約に基づく事前分布を適用し、相対的寄与の分析を精緻化する。
• エネルギー依存性を評価するため、他のエネルギーでの既存データおよびモデルと結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 200 GeVにおける$p+p$衝突における$b\bar{b}$生成に、対生成（PC）、フラバー励起（FE）、グルーオン分裂（GS）がそれぞれどの程度寄与しているか？
• RQ2 同じ運動量領域における$c\bar{c}$生成に、PC、FE、GSがそれぞれどの程度寄与しているか？
• RQ3 観測された$\mu\mu$、$e\mu$、$ee$対の角度相関を記述するのに、PYTHIA Tune AかPOWHEGのどちらがより適切か？
• RQ4 PC、FE、GSの相対的寄与は$c\bar{c}$と$b\bar{b}$系でどのように異なり、その逆転のメカニズムは何か？
• RQ5 95%信用区間における$GS$寄与の上限は、$c\bar{c}$および$b\bar{b}$生成においてそれぞれどの程度か？

主な発見

• $b\bar{b}$対生成の主なメカニズムは対生成（PC）であり、割合は$76\% \pm^{14}_{19}\%$である。
• $c\bar{c}$対ではフラバー励起（FE）が主なメカニズムであり、$F_{\rm FE} > F_{\rm PC} > F_{\rm GS}$であり、PYTHIA Tune Aと整合する。
• $b\bar{b}$では寄与の順序が逆転しており、$F_{\rm PC} > F_{\rm FE} > F_{\rm GS}$である。これは$b$クォーク質量が大きいことでNLO過程の運動量的抑制が強くなるためである。
• 95%信用区間における$GS$寄与の上限は、$c\bar{c}$生成で52%、$b\bar{b}$生成で31%である。
• データからの角度相関はPYTHIA Tune Aによって最もよく記述されるが、POWHEGの結果は広く、測定されたデータと整合しない。
• 本分析は、$c\bar{c}$生成ではフラバー励起が支配的であり、$b\bar{b}$生成では対生成が支配的であるというシナリオを支持しており、重イオン衝突における初期状態ダイナミクスの理解に意味を持つ。