[논문 리뷰] Correlations of $μμ$, $eμ$, and $ee$ pairs in $p$+$p$ collisions at $\sqrt{s}=200$ GeV and implications for $c\bar{c}$ and $b\bar{b}$ production mechanisms

C. Aidala, Y. Akiba외 292명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 PHENIX 데이터를 사용하여 $\sqrt{s} = 200$ GeV에서의 $p+p$ 충돌에서 $c\bar{c}$ 및 $b\bar{b}$ 쿼크 쌍으로부터 유도된 뮤온, 전자-뮤온, 전자 쌍의 각도 상관관계를 분석한다. 결과적으로 $b\bar{b}$ 생성에서 쌍 생성(PC)이 지배적임을 발견하였으며, 이 비율은 76%±19%였다. 반면 $c\bar{c}$ 생성에서는 풍미 자극(FE)이 지배적이며, 데이터는 PYTHIA Tune A 모델에 가장 잘 맞는다. POWHEG 모델은 데이터와 일치하지 않는다.

ABSTRACT

PHENIX has measured the azimuthal correlations of muon pairs from charm and bottom semi-leptonic decays in $p$+$p$ collisions at $\sqrt{s}=200$ GeV, using a novel analysis technique utilizing both unlike- and like-sign muon pairs to separate charm, bottom and Drell-Yan contributions. The dimuon measurements combined with the previous electron-muon and dielectron measurements span a wide range in rapidity, and are well described by PYTHIA Tune A. Through a Bayesian analysis based on PYTHIA Tune A, we show that leading order pair creation is the dominant $(76\%\pm^{14}_{19}\%)$ contribution for $b\bar{b}$ production, whereas the data favor the scenario in which next-to-leading-order processes dominate $c\bar{c}$ production. The small contribution of next-to-leading-order processes in $b\bar{b}$ production at the collision energies of the Relativistic Heavy Ion Collider contrasts with the case at Large-Hadron-Collider energies, where next-to-leading-order processes are expected to dominate.

연구 동기 및 목표

• 지역 최소 순서 및 다음 최소 순서 메커니즘의 타당성을 검증하기 위해 $\sqrt{s} = 200$ GeV에서의 $p+p$ 충돌에서 $c\bar{c}$ 및 $b\bar{b}$ 생성에 기여하는 쌍 생성(PC), 풍미 자극(FE), 글루온 분열(GS)의 상대 기여도를 결정하는 것.
• 각도 상관관계 데이터를 사용하여 중량 쿼크 생성에서의 국소 최소 순서 및 다음 최소 순서 메커니즘의 타당성을 테스트하는 것.
• 관측된 $\mu\mu$, $e\mu$, $ee$ 쌍의 각도 상관관계를 가장 잘 묘사하는 모델이 PYTHIA Tune A인지 POWHEG인지 평가하는 것.
• 베이지안 형태 분석을 통해 각 메커니즘을 통해 생성된 $c\bar{c}$ 및 $b\bar{b}$ 쌍의 비율을 제약 조건을 두고 추정하는 것.
• $p+p$ 충돌에서의 기본 메커니즘을 확립하여 A+A 및 $p+A$ 충돌에서의 중량 쿼크 생성을 해석하는 데 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• $\mu\mu$, $e\mu$, $ee$ 쌍의 각도 상관관계를 전방-전방, 중간-전방, 중간-중간의 세 개의 빠르도 영역에서 측정한다.
• 합성 각도 상관관계 데이터에 대해 베이지안 형태 분석을 수행하여 PC, FE, GS 기여도의 상대 비율을 추출한다.
• PYTHIA Tune A 및 POWHEG에서 생성된 몬테카를로 시뮬레이션과 데이터 분포를 비교하여 모델의 일관성을 평가한다.
• 계층적 모델을 사용하여 다양한 생성 메커니즘의 확률을 할당하고, 불확실성에 대한 95% 신뢰구간을 포함한다.
• 이론적 기대치와 운동량 조건을 바탕으로 사전 확률를 적용하여 상대 기여도 분석을 정밀화한다.
• 기존 다른 에너지에서의 데이터 및 모델과의 비교를 통해 메커니즘의 에너지 의존성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $\sqrt{s} = 200$ GeV에서의 $p+p$ 충돌에서 $b\bar{b}$ 생성에 기여하는 쌍 생성(PC), 풍미 자극(FE), 글루온 분열(GS)의 상대 기여도는 얼마인가요?
• RQ2 동일한 운동량 영역에서 $c\bar{c}$ 생성에 기여하는 PC, FE, GS의 상대 기여도는 얼마인가요?
• RQ3 관측된 $\mu\mu$, $e\mu$, $ee$ 쌍의 각도 상관관계를 가장 잘 묘사하는 이벤트 생성기 모델은 PYTHIA Tune A인지, POWHEG인지요?
• RQ4 PC, FE, GS 기여도가 $c\bar{c}$ 및 $b\bar{b}$ 시스템 간에 어떻게 다를 수 있으며, 이러한 계층의 역전 현상은 무엇으로 설명될 수 있나요?
• RQ5 95% 신뢰구간에서 $c\bar{c}$ 및 $b\bar{b}$ 생성에 대한 글루온 분열(GS) 기여도의 상한선은 얼마인가요?

주요 결과

• $b\bar{b}$ 쌍 생성의 주요 메커니즘은 쌍 생성(PC)이며, 기여 비율은 $76\% \pm^{14}_{19}\%$이다.
• $c\bar{c}$ 쌍의 경우 풍미 자극(FE)이 주요 메커니즘으로, $F_{\rm FE} > F_{\rm PC} > F_{\rm GS}$이며, 이는 PYTHIA Tune A와 일치한다.
• $b\bar{b}$의 기여도 계층은 $c\bar{c}$와 반대되며, $F_{\rm PC} > F_{\rm FE} > F_{\rm GS}$로 나타나는데, 이는 더 큰 $b$ 쿼크 질량으로 인해 NLO 과정의 운동량 억제가 증가하기 때문이다.
• 95% 신뢰구간에서 $c\bar{c}$ 생성에 대한 글루온 분열(GS) 기여도의 상한선은 52%이며, $b\bar{b}$ 생성에 대해서는 31%이다.
• 데이터에서 유도된 각도 상관관계는 PYTHIA Tune A에 의해 가장 잘 묘사되며, POWHEG의 결과는 더 넓고 측정된 데이터와 일치하지 않는다.
• 이 분석은 풍미 자극이 $c\bar{c}$ 생성을 지배하고, 쌍 생성이 $b\bar{b}$ 생성을 지배하는 시나리오를 지지하며, 중이온 충돌에서의 초기 상태 역학 이해에 의미 있는 영향을 미친다.