[논문 리뷰] Charmonium production in $p$Ne collisions at $\sqrt{s_{ m NN}}=68.5$ GeV

LHCb collaboration, Aaij, R.외 1041명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 고정 표적으로서 LHCb 실험을 사용하여 √sNN = 68.5 GeV에서 pNe 충돌에서의 채론륨 생성을 처음으로 측정한다. y∗ ∈ [−2.29, 0] 범위에서 J/ψ 생성 단면적을 506 ± 8 ± 46 nb/nucleon로 보고하였으며, ψ(2S)/J/ψ 상대 수율은 (1.67 ± 0.27 ± 0.10)%로 다른 측정 결과와 일치하여 냉각 핵물질 효과와 채론 쿼크의 하드론화에 대한 핵심 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

The measurement of charmonium states produced in proton-neon ($p$Ne) collisions by the LHCb experiment in its fixed-target configuration is presented. The production of $J/ψ$ and $ψ(2S)$ mesons is studied with a beam of 2.5 TeV protons colliding on gaseous neon targets at rest, corresponding to a nucleon-nucleon centre-of-mass energy $\sqrt{s_{ m NN}}=68.5$ GeV. The data sample corresponds to an integrated luminosity of $21.7\pm 1.4 $ nb$^{-1}$. The $J/ψ$ and $ψ(2S)$ hadrons are reconstructed in $μ^+μ^-$ final states. The $J/ψ$ production cross-section per target nucleon in the centre-of-mass rapidity range $y^{*}\in [-2.29, 0]$ is found to be $506 \pm 8 \pm 25 extrm{ nb/nucleon}$. The $ψ(2S)$ to $J/ψ$ relative production rate is found to be $(1.67 \pm 0.27\pm 0.10)\%$ in good agreement with other measurements involving beam and target nuclei of similar sizes.

연구 동기 및 목표

• 냉각 핵물질(CNM) 효과인 색체, 흡수, 에너지 손실 등을 탐구하기 위해 √sNN = 68.5 GeV에서 프로톤-네온 충돌에서의 채론륨 생성을 연구하기 위해.
• 고정 표적으로서 LHCb 검출기를 사용하여 후행 빠르기 영역에서 J/ψ 및 ψ(2S) 생성 단면적을 측정하기 위해.
• 전반적인 채론 쿼크 하드론화 효율을 평가하기 위해 채론륨 수율과 D0 메손 생성을 비교하기 위해.
• 프로톤-핵 충돌에서의 채론륨 생성 이론 모델에 대한 기준을 제공하기 위해.
• 가벼운 핵 표적으로서 낮은 √sNN 영역까지 채론륨 측정의 운용 범위를 확장하기 위해.

제안 방법

• LHCb 실험이 2.5 TeV 프로톤이 정지한 기체 네온 표적으로 충돌하는 고정 표적으로서 운영되었다.
• SMOG 시스템을 통해 저압의 네온 기체를 빔 튜브에 주입함으로써 빔 교차 없이 프로톤-네온 충돌을 가능하게 하였다.
• 중성미온 식별 및 복합점 추적을 사용하여 μ+μ− 붕괴 채널에서 J/ψ 및 ψ(2S) 메손을 재구성하였다.
• 오프라인 선택 조건으로는 최소 네 개의 트랙을 가진 주요 복합점, pT > 500 MeV/c인 잘 식별된 두 개의 중성미온, 배경을 감소시키기 위한 상대 질량 절단 조건이 필요하였다.
• 검출기 효율성과 수용 범위를 보정하기 위해 2.0 < y < 4.29 및 pT < 8 GeV/c의 피드유비얼 수용 범위를 사용하였다.
• 데이터 샘플은 비교교차 빔 구성에서 수집된 통합 루미노사티의 21.7 ± 1.4 nb−1에 해당한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √sNN = 68.5 GeV에서 pNe 충돌에서의 채론륨 생성은 프로톤-프로톤 기준과 어떻게 비교되며, 이는 냉각 핵물질 효과에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ2 중심질량 빠르기 영역 y∗ ∈ [−2.29, 0]에서 표적으로서의 핵자마다 J/ψ 생성 단면적은 얼마인가?
• RQ3 이 운용 영역에서 ψ(2S) 대 J/ψ의 상대 수율은 얼마이며, 다른 측정 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 J/ψ 대 D0 단면적 비율은 채론 쿼크 분열 및 하드론화에 대해 어떤 정보를 제공하는가?
• RQ5 네온과 같은 경량 핵에서의 그림자 효과나 흡수와 같은 핵 효과가 채론륨 수율에 얼마나 영향을 미치는가?

주요 결과

• y∗ ∈ [−2.29, 0] 영역에서 표적으로서의 핵자마다 J/ψ 생성 단면적은 506 ± 8 ± 46 nb/nucleon로 측정되었다.
• J/ψ 대 D0 메손 생성 단면적 비율은 (1.06 ± 0.02 ± 0.09)%로 발견되었다.
• 동일한 운용 영역에서 ψ(2S) 대 J/ψ의 상대 생성 비율은 (1.67 ± 0.27 ± 0.10)%로 측정되었다.
• ψ(2S)/J/ψ 비율은 유사한 표적으로 질량을 가진 다른 프로톤-핵 시스템의 측정 결과와 일치하여 유의미한 증가 또는 억제가 없음을 나타낸다.
• 이 측정은 낮은 √sNN에서 경량 핵을 사용한 새로운 데이터 포인트를 제공하여 냉각 핵물질 효과 연구의 커버리지가 향상되었다.
• 결과는 이 에너지 영역에서 채론륨 생성이 강한 최종 상태 핵 효과보다는 초기 상태 효과와 하드론화 역학에 의해 주로 결정됨을 지지한다.