[논문 리뷰] Charm and beauty production at LHC

N. Carrer, A. Dainese|arXiv (Cornell University)|2003. 11. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 9인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 LHC 에너지에서 쿼ark 생성 단면적과 운동량 분포에 대한 다음 주요 순서(NLO) pQCD 계산을 제시하며, pp, p–Pb, Pb–Pb 충돌로까지 외삽한다. ALICE 검출기 성능의 기초 예측을 수립하고, PYTHIA 이벤트 생성기를 NLO 결과를 재현하도록 캘리브레이션하며, 다양한 충돌 시스템과 빠르기 영역에서 D 및 B 메손의 획득량과 횡방향 운동량 분포를 보고한다. 실험 계획을 위한 핵심 매개변수들인 $p_{\rm t}^0$ 및 $ olimits\langle p_{\rm t}\rangle$ 가 정량화되어 있다.

ABSTRACT

This note will be part of Chapter 6.5 of the ALICE Physics Performance Report (PPR), "ALICE Physics: Charm and Beauty", where the capabilities of ALICE for the detection of open heavy flavour particles will be described. We define here the present ALICE baseline for what concerns the heavy flavour production cross sections at LHC and the kinematical distributions of the heavy quark pairs. We start by qualitatively assessing the Bjorken x regimes accessible with charm and beauty measurements at LHC with ALICE (Section 1). In Section 2 we report the most recent results (and the uncertainties) of the next-to-leading order (NLO) pQCD calculations for the cross sections in pp collisions at LHC energies. These results are extrapolated to Pb-Pb collisions in Section 3.1 and to p-Pb collisions in Section 3.2, taking into account nuclear shadowing and parton intrinsic transverse momentum broadening.Heavy quark kinematics as given by the NLO pQCD calculation are reported in Section 4. We tuned the PYTHIA event generator in order to reproduce such results for what concerns the c and b quarks transverse momentum distributions (Section 5). Finally, we report the yields and transverse momentum distributions for D and B mesons (Section 6).

연구 동기 및 목표

• LHC 에너지에서 ALICE 물리 성능 프레임워크 내에서 무거운 쿼크 생성 단면적과 운동량 분포에 대한 기초 예측을 수립하기 위해.
• pp, p–Pb, Pb–Pb 충돌에서 채움 및 뷰티 쿼크의 접근 가능한 Bjorken-$x$ 영역을 정량화하고, 저-$x$ 동역학을 강조하기 위해.
• 핵형 효과(예: 쉐이딩 및 파arton의 내재 횡방향 운동량 확장)를 고려하여 NLO pQCD 결과를 핵 충돌로 외삽하기 위해.
• PYTHIA 이벤트 생성기가 채움 및 뷰티 쿼크의 횡방향 운동량 분포를 NLO pQCD 결과를 재현하도록 캘리브레이션하기 위해.
• ALICE 검출기 성능 평가를 위한 다양한 충돌 시스템과 빠르기 영역에서 D 및 B 메손의 획득량 및 $p_{\rm t}$ 분포에 대한 정량적 추정을 제공하기 위해.

제안 방법

• 다음 주요 순서(NLO) pQCD 계산을 사용하여, $\sqrt{s} = 14$ TeV에서의 pp 충돌에서 $c\overline{c}$ 및 $b\overline{b}$ 쌍 생성의 포함 단면적을 계산한다.
• 채움 및 뷰티 생성의 $x$-의존성은 $x_{1,2} = \frac{M_{Q\overline{Q}}}{\sqrt{s_{\rm NN}}} \exp{\pm y_{Q\overline{Q}}}$ 관계를 통해 유도되며, 이는 다양한 충돌 시스템에서 측정되는 Bjorken-$x$ 영역 추정에 기여한다.
• 핵형 효과인 핵형 쉐이딩 및 파arton의 내재 횡방향 운동량 확장과 함께 NLO 결과를 Pb–Pb 및 p–Pb 충돌으로 외삽하며, 매개변수들은 기존의 파rametrization에서 취한다.
• PYTHIA 6.150 이벤트 생성기를 채움 및 뷰티 쿼크의 $p_{\rm t}$ 분포를 NLO pQCD 결과와 일치시키기 위해 $p_{\rm t}^{\rm hard}$ 절단 및 내재 $k_{\rm t}$ 매개변수를 조정한다.
• D 및 B 메손의 횡방향 운동량 분포는 $\frac{1}{p_{\rm t}} \frac{{\rm d}N}{{\rm d}p_{\rm t}} \propto \left[1 + \left(\frac{p_{\rm t}}{p_{\rm t}^0}\right)^2\right]^{-n}$ 형태의 기능적 형태로 피팅하며, 시뮬레이션에서 추출된 매개변수를 사용한다.
• pp, p–Pb, Pb–Pb 충돌에서 $\sqrt{s_{\rm NN}} = 14$, 8.8, 5.5 TeV에서 D 및 B 메손의 획득량과 평균 $p_{\rm t}$ 값을 중앙($|y|<1$) 및 후방($2.5<y<4$) 빠르기 영역에서 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서의 pp, p–Pb, Pb–Pb 충돌에서 채움 및 뷰티 쿼크 생성이 측정하는 Bjorken-$x$ 값의 범위는 무엇인가?
• RQ2 LHC에서 $\sqrt{s} = 14$ TeV에서의 pp 충돌에서 $c\overline{c}$ 및 $b\overline{b}$ 생성 단면적에 대한 NLO pQCD 계산 결과가 실험적 기대와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 쉐이딩 및 파arton의 내재 횡방향 운동량 확장과 같은 핵형 효과가 pp 충돌에 비해 p–Pb 및 Pb–Pb 충돌에서의 무거운 쿼크 생성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 다양한 충돌 시스템과 빠르기 창에서 D 및 B 메손의 예상 횡방향 운동량 분포 및 평균 $p_{\rm t}$ 값은 무엇인가?
• RQ5 다양한 LHC 충돌 시스템에서 채움 및 뷰티 쿼크의 NLO pQCD 결과를 재현하기 위해 필요한 PYTHIA 캘리브레이션 매개변수(예: $p_{\rm t}^{\rm hard}$, $k_{\rm t}$)는 무엇인가?

주요 결과

• 중앙 빠르기에서 LHC에서의 채움 생성은 $x \sim 2 \times 10^{-4}$ 를 측정하며, 이는 RHIC의 두 배, SPS의 세 배 낮은 수준이다.
• 뷰티 생성은 임계값에서 $x \sim 2 \times 10^{-4}$ 를 측정하며, $M_{Q\overline{Q}}$ 가 높아질수록 $x$ 값은 더 낮아진다.
• D 메손의 평균 횡방향 운동량 $\langle p_{\rm t}\rangle$ 는 $\sqrt{s} = 14$ TeV에서의 pp 충돌에서 $|y|<1$ 영역에서 약 1.85 GeV/$c$이며, 8.8 TeV에서의 p–Pb 충돌에서는 1.83 GeV/$c$이다.
• B 메손의 평균 $p_{\rm t}$ 는 $\sqrt{s} = 14$ TeV에서의 pp 충돌에서 $|y|<1$ 영역에서 4.90 GeV/$c$이며, 5.5 TeV에서의 Pb–Pb 충돌에서는 4.89 GeV/$c$이다.
• 14 TeV에서의 pp 충돌에서 D 메손의 $p_{\rm t}$ 분포는 $p_{\rm t}^0 = 2.04$ GeV/$c$ 및 $n = 2.65$ 로 가장 잘 피팅되며, B 메손의 경우 매개변수는 $p_{\rm t}^0 = 6.04$ GeV/$c$ 및 $n = 2.88$ 이다.
• D 및 B 메손의 평균 $p_{\rm t}$ 는 중앙 빠르기($|y|<1$)에서 후방 영역($2.5<y<4$)보다 약 10% 높으며, 이는 검출기 수용각의 차이를 반영한다.