[論文レビュー] Measurement of beauty-quark production in pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV via non-prompt D mesons

ALICE Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、2016–2018年のALICE検出器データを用いて、√s = 13 TeVのpp衝突において、中間快速度（|y| < 0.5）におけるベータハドロン崩壊からの非プロンプトD⁰、D⁺、Dₛ⁺メソンの横運動量微分断面積を測定した。主な結果として、fₛ/(fᵤ + f_d) = 0.114 ± 0.016（統計）± 0.006（系誤差）± 0.003（BR）± 0.003（外挿）が得られ、衝突系やエネルギーにわたる崩壊関数の普遍性と整合的である。

ABSTRACT

The $p_{ m T}$-differential production cross sections of non-prompt ${ m D^0}$, ${ m D^+}$, and ${ m D_s^+}$ mesons originating from beauty-hadron decays are measured in proton$-$proton collisions at a centre-of-mass energy $\sqrt{s}=13$ TeV. The measurements are performed at midrapidity, $|y| &lt; 0.5$, with the data sample collected by ALICE from 2016 to 2018. The results are in agreement with predictions from several perturbative QCD calculations. The fragmentation fraction of beauty quarks to strange mesons divided by the one to non-strange mesons, $f_{ m{s}}/(f_{ m{u}} + f_{ m{d}})$, is found to be $0.114 \pm 0.016~{ m (stat.)} \pm 0.006~{ m (syst.)} \pm 0.003~{ m (BR)} \pm 0.003~{ m (extrap.)}$. This value is compatible with previous measurements at lower centre-of-mass energies and in different collision systems in agreement with the assumption of universality of fragmentation functions. In addition, the dependence of the non-prompt D meson production on the centre-of-mass energy is investigated by comparing the results obtained at $\sqrt{s} = 5.02$ and 13 TeV, showing a hardening of the non-prompt D-meson $p_{ m T}$-differential production cross section at higher $\sqrt{s}$. Finally, the ${ m b\overline{b}}$ production cross section per unit of rapidity at midrapidity is calculated from the non-prompt ${ m D^0}$, ${ m D^+}$, ${ m D_s^+}$, and $Λ_{ m c}^+$ hadron measurements, obtaining ${ m d}σ/{ m d}y = 75.2\pm 3.2~(\mathrm{stat.}) \pm 5.2~(\mathrm{syst.})^{+12.3}_{-3.2} ~(\mathrm{extrap.}) ext{ } m μb \;.$

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVのpp衝突における非プロンプトD⁰、D⁺、Dₛ⁺メソンのpT微分断面積を測定すること。
• 中間快速度における比fₛ/(fᵤ + f_d)の測定を通じて、ベータクォークの崩壊関数の普遍性を検証すること。
• 中心系エネルギー（√s = 5.02 TeVおよび13 TeV）における非プロンプトDメソン生成断面積を比較し、エネルギー依存性を検討すること。
• D⁰、D⁺、Dₛ⁺およびΛ⁺cハドロンの複数のハドロン崩壊チャンネルを組み合わせることで、中間快速度における全ベータクォーク生成断面積（単位迅速度当たり）を決定すること。

提案手法

• 二次仮想頂点の再構築とトポロジカル選択基準を用いて、非プロンプトDメソンをその崩壊チェーンから再構築する。
• ALICE検出器の中央バーレルトラッキングおよびバーレル検出機能を活用し、ベータハドロン崩壊に起因するずれた頂点を同定する。
• 組み合わせ的背景およびプロンプトDメソン背景を抑えるために、運動量およびトポロジカル選択カットを適用する。
• pTにおける検出器解像度および効率の影響を補正するため、応答行列を用いたアンフォールディングを実施する。
• 信号および背景寄与をモデル化するために、PYTHIA8およびEPOSLHCを用いたモンテカルロシミュレーションを用いる。
• pT微分断面積を抽出するために、正則化された反復的手順を用いたベイズアンフォールディング手法を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeVのpp衝突における非プロンプトD⁰、D⁺、Dₛ⁺メソンのpT微分断面積は何か？
• RQ2 ベータクォークが奇妙なメソンへ崩壊する割合が、非奇妙なメソンへの割合と比べて、衝突系やエネルギーにわたって普遍的であるか？
• RQ3 中心系エネルギーが√s = 5.02 TeVから13 TeVに増加するに従い、非プロンプトDメソン生成断面積はどのように変化するか？
• RQ4 D⁰、D⁺、Dₛ⁺およびΛ⁺cハドロンからの寄与を組み合わせることで、中間快速度における全ベータクォーク生成断面積（単位迅速度当たり）は何か？

主な発見

• ベータクォークが奇妙なメソンへ崩壊する割合の測定値は、fₛ/(fᵤ + f_d) = 0.114 ± 0.016（統計）± 0.006（系誤差）± 0.003（BR）± 0.003（外挿）であった。
• この値は、低エネルギー中心系および異なる衝突系での以前の測定結果と整合的であり、崩壊関数の普遍性を支持する。
• 非プロンプトDメソンのpT微分断面積は、√sが高くなるにつれて硬化傾向を示し、√s = 5.02 TeVに比べて高pT領域での上昇が急峻であることが示された。
• 中間快速度における全ベータクォーク生成断面積（単位迅速度当たり）は、dσ/dy = 75.2 ± 3.2（統計）± 5.2（系誤差）+12.3⁄−3.2（外挿）µbとして測定された。
• D⁰のpT分解能を向上させるとともに、D⁺およびDₛ⁺メソンからの寄与を含めたことにより、従来の結果を上回る。
• 結果は、GM-VFNSおよびFONLLフレームワークを用いたNLO pQCD予測と整合的であり、LHCエネルギー領域における理論的モデルの妥当性が裏付けられた。