[論文レビュー] Fixed-target physics at LHCb

E. Maurice|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、LHCbの固定標的モードにおけるSMOGガス標的を用いて、6.5 TeVプロトン-ヘリウム衝突における反陽子生成の初の直接測定およびプロトン-アルゴン衝突におけるオープンcharmおよびハローcharm生成の測定を報告する。これらの結果は、宇宙線二次反陽子フラックス予測における長年の不確実性を解消し、LHCにおける重いクォーク物理学の固定標的モードの実現可能性を示している。

ABSTRACT

The LHCb experiment has the unique possibility, among the LHC experiments, to be operated in fixed target mode, using its internal gas target SMOG. The energy scale achievable at the LHC and the excellent detector capabilities for vertexing, tracking and particle identification allow a wealth of measurements of great interest for cosmic ray and heavy ions physics. We report the first measurements made in this configuration: the measurement of antiproton production in proton-helium collisions and the measurements of open and hidden charm production in proton-argon collisions at $\sqrt{s_ extrm{NN}} =$ 110 GeV.

研究の動機と目的

• 宇宙線反陽子フラックス予測の不確実性を低減するため、√sNN = 110 GeVにおける6.5 TeVプロトン-ヘリウム衝突における反陽子生成断面積を測定すること。
• 重クォーク生成メカニズムの理解を向上させるために、プロトン-アルゴン衝突におけるオープンおよびハローcharm生成（D⁰およびJ/ψ）を研究すること。
• 将来の重いフレーバー物理学を想定し、LHCbにおける内部SMOGガス標的を用いた固定標的運用の実現可能性を検証すること。
• 銀河間空間における二次反陽子生成の宇宙物理学的モデルに、正確でデータ駆動型の入力を提供すること。
• 10–100 GeVエネルギー範囲における直接測定を外挿データに代えて用いることで、反陽子フラックスモデルの系統的不確実性を低減すること。

提案手法

• LHCbのSMOGシステムを用いてアルゴンおよびヘリウムガスをLHCビームパイプに注入し、6.5 TeVプロトンと固定標的衝突を可能にした。
• 最小バイアストリガーを用いた専用非pp充填中にデータ取得を行い、LHCbの受容領域（2 < η < 5）内に反陽子候補を含むイベントを選別した。
• 運動量および横運動量のビンごとに、粒子仮説（陽子、π、K）間の対数尤度差を用いて、2次元ビン化拡張最大尤度フィットを実施し、反陽子分率を抽出した。
• 完全シミュレート済みイベントを用いて検出器効果を補正し、トラッキングおよびPID効率を$pp$データおよび専用キャリブレーションサンプルでキャリブレートした。
• 陽子への弾性電子散乱を、既知の断面積180.6 μbを用いて照度のキャリブレーション基準として用いた。
• 効率、受容領域およびバックグラウンド補正を施した後、$D^0$および$J/ψ$メソンの微分生成断面積を横運動量$p_T$および急速度$y$の関数として計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 6.5 TeVプロトン-ヘリウム衝突（√sNN = 110 GeV）における反陽子生成断面積はいかほどか？
• RQ2 プロトン-アルゴン衝突における$D^0$および$J/ψ$メソンの横運動量および急速度分布は、どのように比較されるか？
• RQ3 $p_T$および急速度に応じた$J/ψ/D^0$生成断面積比はどのように変化するか？また、これにより生成メカニズムにどのような示唆が得られるか？
• RQ4 LHCbにおける固定標的モードでの重いフレーバー測定における主な系統的不確実性は何か？
• RQ5 SMOGを用いたLHCbの固定標的モードは、宇宙線反陽子フラックスモデルの不確実性を低減するための正確で直接的な測定を可能にするか？

主な発見

• 6.5 TeVビームエネルギーにおける$p$He衝突における反陽子生成の初の直接測定が達成された。測定範囲は12 < $p$ < 110 GeV/$c$および0.4 < $p_T$ < 4 GeV/$c$、照度は0.4 nb⁻¹であった。
• 残存する非プロンプトバックグラウンドは(2.6 ± 0.6)%と推定され、主にハイパーロンの崩壊に起因する。残存真空ガス寄与は(0.7 ± 0.2)%であった。
• $p_T$および$y$の関数として補正済みの$D^0$生成断面積が測定され、誤差範囲内でPythia予測と良好な一致を示した。
• $J/ψ$および$D^0$の微分生成断面積が測定され、$J/\bar{\psi}$生成断面積の形状はHERA-Bデータに基づく現象論的パラメータ化と整合的であった。
• $J/ψ/D^0$生成断面積比は、誤差範囲内で$p_T$または急速度に顕著な依存性を示さず、横運動量および急速度スペクトルにおける生成ダイナミクスが類似していることを示唆した。
• $b$-ハドロンからの信号分率は(0.9 ± 1.6)%と推定され、プロンプト生成が信号を支配していることを確認した。