[논문 리뷰] Fixed-target physics at LHCb

E. Maurice|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 LHCb의 고정표적 모드와 SMOG 가스 표적으로 6.5 TeV 프로톤-Helium 충돌에서 항프로톤 생성의 첫 직접 측정과 프로톤-아르곤 충돌에서 오픈 및 히든 채림 생성을 수행한다. 결과는 천체선 2차 항프로톤 플럭스 예측에서 오랫동안 지속된 불확실성을 해소하고, LHC에서 고정표적 모드에서의 중량 쿼크 물리의 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

The LHCb experiment has the unique possibility, among the LHC experiments, to be operated in fixed target mode, using its internal gas target SMOG. The energy scale achievable at the LHC and the excellent detector capabilities for vertexing, tracking and particle identification allow a wealth of measurements of great interest for cosmic ray and heavy ions physics. We report the first measurements made in this configuration: the measurement of antiproton production in proton-helium collisions and the measurements of open and hidden charm production in proton-argon collisions at $\sqrt{s_ extrm{NN}} =$ 110 GeV.

연구 동기 및 목표

• 우주선 항프로톤 플럭스 예측의 불확실성을 줄이기 위해 √sNN = 110 GeV에서 6.5 TeV 프로톤-헬륨 충돌에서 항프로톤 생성을 측정하기 위해.
• 중량 쿼크 생성 메커니즘에 대한 이해를 향상시키기 위해 프로톤-아르곤 충돌에서 오픈 및 히든 채림 생성(D⁰ 및 J/ψ)을 연구하기 위해.
• 미래의 중량 쿼크 물리를 위한 LHCb 고정표적 운영의 가능성을 검증하기 위해 내부 SMOG 가스 표적으로 고정표적 운영의 타당성을 검증하기 위해.
• 은하간 매질에서 2차 항프로톤 생성의 천체물리 모델에 정확하고 데이터 기반의 입력을 제공하기 위해.
• 10–100 GeV 에너지 범위에서 외삽된 데이터 대신 직접 측정을 통해 항프로톤 플럭스 모델링의 체계적 불확실성을 줄이기 위해.

제안 방법

• LHCb의 SMOG 시스템을 사용하여 아르곤과 헬륨 기체를 LHC 빔 파이프에 주입하여 6.5 TeV 프로톤과의 고정표적 충돌을 가능하게 하였다.
• 최소 비스킷 트리거를 사용한 전용 비-pp 충전 동안 데이터 수집을 수행하였으며, LHCb 수용각(2 < η < 5) 내 항프로톤 후보를 선택하였다.
• 운동량 및 횡방향 운동량 밴드에 따른 입자 가설(프로톤, 파이온, 케온) 간의 로그우도 차이를 기반으로 이차원 분할 확률 최대화 적합을 적용하여 항프로톤 비율을 추출하였다.
• 완전 시뮬레이션된 이벤트를 사용하여 검출기 효과를 보정하고, $pp$ 데이터 및 전용 캘리브레이션 샘플을 사용하여 트래킹 및 PID 효율을 캘리브레이션하였다.
• 빛의 탄성 전자 산란을 프로톤에 대해 정규화 기준으로 사용하였으며, 알려진 단면적 180.6 μb를 통해 루미노시티를 캘리브레이션하였다.
• 효율성, 수용각 및 배경 보정을 고려하여 $p_T$ 및 빠르기 $y$ 함수로서 $D^0$ 및 $J/ψ$ 메손의 미분 수확률을 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6.5 TeV 프로톤-헬륨 충돌에서 √sNN = 110 GeV에서 항프로톤 생성 단면적은 얼마인가?
• RQ2 프로톤-아르곤 충돌에서 $D^0$ 및 $J/ψ$ 메손의 횡운동량 및 빠르기 분포는 어떻게 비교되는가?
• RQ3 $p_T$ 및 빠르기와의 관계에서 $J/ψ/D^0$ 수확률 비율은 어떻게 변하는가? 이는 생성 메커니즘에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 LHCb에서 고정표적 중량 쿼크 측정에서 지배적인 체계적 불확실성은 무엇인가?
• RQ5 LHCb의 SMOG 기반 고정표적 모드는 천체선 항프로톤 플럭스 모델의 불확실성을 줄이기 위해 정확하고 직접적인 측정을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 6.5 TeV 빔 에너지에서 $p$ He 충돌에서 항프로톤 생성의 첫 직접 측정을 달성하였으며, 이는 12 < $p$ < 110 GeV/$c$ 및 0.4 < $p_T$ < 4 GeV/$c$ 범위에서 루미노시티 0.4 nb⁻¹를 포함한다.
• 잔여 비프롬프트 배경은 (2.6 ± 0.6)%로 추정되었으며, 주로 하이퍼온 붕괴에서 기인하고, 잔여 진공 기체 기여는 (0.7 ± 0.2)%였다.
• $p_T$ 및 $y$ 함수로서 $D^0$의 미분 수확률을 측정하였으며, 보정된 수확률은 불확실성 내에서 Pythia 예측과 양호한 일치를 보였다.
• $J/ψ$ 및 $D^0$의 미분 수확률이 측정되었으며, $J/\bar{\psi}$ 수확률은 HERA-B 데이터 기반의 현상학적 매개화와 형태가 일치함을 보였다.
• $J/ψ/D^0$ 수확률 비율은 불확실성 내에서 $p_T$ 또는 빠르기와의 의존성이 없었으며, 이는 횡운동량 및 빠르기 스펙트럼에서 유사한 생성 역학을 나타낸다.
• $b$-하드론에서의 신호 비율은 (0.9 ± 1.6)%로 추정되었으며, 이는 프롬프트 생성이 신호를 지배함을 확인한다.