[논문 리뷰] Charm-quark fragmentation fractions and production cross section at midrapidity in pp collisions at the LHC

Afd Subatomic Physics (SAP), S. Acharya외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 70인용 수 77

한 줄 요약

이 논문은 ALICE 데이터를 이용해 √s = 5.02 TeV에서의 pp 충돌에서 중성자-夸克의 분열 분율과 중간 빠르기 영역 (|y| < 0.5)에서의 쿼ark 생성 단위 빠르기 단위 횡단면을 처음으로 측정한다. 전자-positron 충돌과 비교할 때 Λ⁺c 분열 분율이 3.3배 증가한 것으로 5σ의 유의미한 결과를 보이며, 다양한 충돌 시스템 간의 분열 함수의 보편성에 도전한다.

ABSTRACT

Recent pT-integrated cross-section measurements of the ground-state charm mesons and baryons, D0, D+, Ds+, Λc+, and Ξc0, are used to evaluate the charm fragmentation fractions and production cross section per unit of rapidity at midrapidity (|y|&lt;0.5), in pp collisions at √s=5.02 TeV at the LHC. The latter is dσcc¯/dy||y|&lt;0.5=1165±44(stat)-101+134(syst) μb. These measurements were obtained for the first time in hadronic collisions at the LHC, including the charm baryon states, recently measured by ALICE at midrapidity. The charm fragmentation fractions differ significantly from the values measured in e+e- and ep collisions, providing evidence of the dependence of the parton-to-hadron fragmentation fractions on the collision system, indicating that the assumption of their universality is not supported by the measured cross sections. An increase of a factor of about 3.3 for the fragmentation fraction for the Λc+ with a significance of 5σ between the values obtained in pp collisions and those obtained in e+e- (ep) collisions is reported. The fragmentation fraction for the Ξc0 was obtained for the first time in any collision system. The measured fragmentation fractions were used to update the cc¯ cross sections per unit of rapidity at |y|&lt;0.5 at √s=2.76 and 7 TeV, which are about 40% higher than the previously published results. The data were compared with perturbative-QCD calculations and lie at the upper edge of the theoretical bands.

연구 동기 및 목표

• √s = 5.02 TeV에서의 pp 충돌에서 중성자-夸크의 분열 분율과 중간 빠르기 영역 (|y| < 0.5)에서의 단위 빠르기 당 생성 횡단면을 측정한다.
• 다양한 충돌 시스템(예: pp 대 e⁺e⁻ 및 ep) 간의 중성자-夸크 분열 함수의 보편성 여부를 테스트한다.
• 새로운 코어 바리온 데이터를 바탕으로 √s = 2.76 TeV 및 7 TeV에서의 cc 생성 횡단면을 업데이트한다.
• 강입자 충돌에서의 코어 하드로생산 모델링을 향상시키고, 양자 색역학의 고전적 계산을 제약한다.
• 정확한 기준 횡단면을 제공함으로써 쿼크-글루온 플라즈마에서의 채르몬륨 재구성 연구를 지원한다.

제안 방법

• 2017년 LHC 런 동안 수집된 통합 루미너스 19.3 ± 0.4 nb⁻¹인 최소 충격 트리거를 사용하여, ALICE 검출기 데이터에서 재구성된 붕괴를 통해 D⁰, D⁺, Dₛ⁺, Λ⁺c 및 Ξ₀c 바리온의 pT 통합 횡단면을 측정하였다.
• 추적 효율, 입자 식별, 재구성 효율 및 pT 외삽 보정을 적용하여 전체 횡단면을 복원하였다.
• 루미너스, 분해비율 및 빛의 붕괴 기여도 등 체계적 불확실성을 전파하였다.
• 분열 분율은 D⁰ 횡단면에 대한 각 입자 횡단면의 비율로 계산하였으며, 상관 불확실성을 포함하였다.
• pQCD 계산(FONLL, PYTHIA 8 등) 및 통계 모델(SHM)과의 비교를 통해 이론적 일관성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 pp, e⁺e⁻ 및 ep 충돌과 같은 다양한 충돌 시스템 간에 중성자-夸크 분열 분율이 보편적인가?
• RQ2 √s = 5.02 TeV에서의 pp 충돌에서 중간 빠르기 영역 (|y| < 0.5)에서의 중성자 쿼크 생성 횡단면 단위 빠르기 값은 얼마인가?
• RQ3 Λ⁺c 및 Ξ₀c 바리온의 분열 분율은 전자-positron 충돌에서 측정된 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 현재의 pQCD 계산은 코어 바리온을 포함한 측정된 횡단면을 어느 정도 잘 묘사하는가?
• RQ5 최근 측정 결과는 이전에 발표된 √s = 2.76 TeV 및 7 TeV에서의 cc 횡단면에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• √s = 5.02 TeV에서의 pp 충돌에서 중간 빠르기 영역 (|y| < 0.5)에서의 코어 생성 횡단면 단위 빠르기 측정 결과는 dσcc/dy||y|<0.5 = 1165 ± 44 (통계) +134⁄−101 (체계적) µb이다.
• pp 충돌에서의 Λ⁺c 분열 분율은 e⁺e⁻ 또는 ep 충돌과 비교해 약 3.3배 높으며, 유의미한 수준은 5σ이다.
• 이 연구는 어떤 충돌 시스템에서도 Ξ₀c 분열 분율을 처음으로 측정하였으며, 그 값은 0.022 ± 0.005 (통계) ± 0.004 (체계적)이다.
• 코어 바리온의 측정 횡단면은 √s = 2.76 TeV 및 7 TeV에서의 업데이트된 cc 횡단면을 이전 결과 대비 약 40% 증가시켰다.
• 측정된 데이터는 현재의 pQCD 이론 밴드의 상단에 위치해 있어, 현재의 계산이 횡단면을 과소평가하고 있을 가능성을 시사한다.
• 결과는 분열 함수의 보편성 가정을 도전하며, 충돌 시스템에 따라 강한 의존성이 있음을 나타낸다.