[論文レビュー] Measurement of associated $J/ψ$-$ψ(2S)$ production cross-section in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV

LHCb Collaboration, A. S. W. Abdelmotteleb+1106 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 57被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、LHCbが収集した4.2 fb⁻¹のpp衝突データを用いて、√s = 13 TeVにおけるJ/ψ-ψ(2S)対生成の初回測定を報告する。断面積は4.5 ± 0.7(stat) ± 0.3(syst) nbとして測定され、微分断面積およびJ/ψ-J/ψ生成との断面積比が0.274 ± 0.044(stat) ± 0.008(syst)となった。これは、QCDにおける単一および二重パートン散乱メカニズムの検証に重要な制約を提供する。

ABSTRACT

The cross-section of associated $J/ψ$-$ψ(2S)$ production in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=13$ TeV is measured using a data sample corresponding to an integrated luminosity of 4.2 fb$^{-1}$, collected by the LHCb experiment. The measurement is performed for both $J/ψ$ and $ψ(2S)$ mesons having transverse momentum $p_{ ext{T}}<14$ GeV/$c$ and rapidity $2.0

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおけるpp衝突における、J/ψおよびψ(2S)のチャーモニウム状態の関連生成断面積を測定すること。
• ハドロンのペア生成における単一パートン散乱（SPS）と二重パートン散乱（DPS）の相対的寄与を調査すること。
• 理論的モデリングの向上を図るため、運動量変数∆y、∆ϕ、pT、y、およびmJ/ψ-ψ(2S)に関する微分断面積を提供すること。
• J/ψ-ψ(2S)生成断面積とJ/ψ-J/ψ生成断面積の比を決定し、非摂動的QCDダイナミクスの検証を行うこと。

提案手法

• √s = 13 TeVにおけるLHCb実験が収集した4.2 fb⁻¹のpp衝突データを使用する。
• 横方向運動量（pT < 14 GeV/c）およびラピディティ（2.0 < y < 4.5）に関する選択基準を用いて、J/ψ → μ⁺μ⁻およびψ(2S) → J/ψ → μ⁺μ⁻の崩壊を再構築する。
• 運動量フィットおよび頂点再構築を適用し、J/ψ-ψ(2S)候補を特定するとともに、組み合わせ的バックグラウンドを抑制する。
• 統計的および系境的不確かさを伴う、∆y、∆ϕ、pT、y、および不変質量mJ/ψ-ψ(2S)に関する微分断面積を測定する。
• J/ψ-ψ(2S)の結果を、既存のLHCbによるJ/ψ-J/ψ生成測定結果と組み合わせ、断面積比を計算する。
• J/ψおよびψ(2S)メソンの偏光が無視できるほど小さいものと仮定し、これは以前のLHC測定と整合している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeVにおけるpp衝突における、関連J/ψ-ψ(2S)生成の包括的断面積は何か？
• RQ2 J/ψ-ψ(2S)生成の微分断面積は、ラピディティ差（∆y）および方位角差（∆ϕ）といった運動量変数とともにどのように変化するか？
• RQ3 J/ψ-ψ(2S)生成断面積とJ/ψ-J/ψ生成断面積の比は何か？また、運動量変数に応じてどのように変化するか？
• RQ4 測定された断面積比は、ハドロンペア生成における単一パートン散乱（SPS）と二重パートン散乱（DPS）メカニズムを区別する手がかりとなるか？

主な発見

• J/ψ-ψ(2S)ペアの包括的生成断面積は、4.5 ± 0.7(stat) ± 0.3(syst) nbとして測定された。
• ∆y、∆ϕ、pT、y、およびmJ/ψ-ψ(2S)に関する微分断面積が測定され、詳細なビン分割と不確かさが表2～6に示されている。
• J/ψ-ψ(2S)生成断面積とJ/ψ-J/ψ生成断面積の比は、0.274 ± 0.044(stat) ± 0.008(syst)であった。運動量ビンごとの変動が観察された。
• ∆y = 1.0–1.4の区間では、比が0.49 ± 0.13(stat) ± 0.03(syst)に達し、中程度のラピディティ差領域で生成が強化されていることが示された。
• ∆ϕ = 0.0–0.2の区間では、比が0.36 ± 0.13(stat) ± 0.02(syst)であった。これは角度相関への感受性を示している。
• 測定された断面積比は、DPS支配の予測と整合しており、SPSではψ(2S)のフィードダウンがDPSよりも高いことが予想される。これは、散乱メカニズムの検証に重要なテストを提供する。