[논문 리뷰] $J/ψ$ and $D^0$ production in $\sqrt{s_{ m NN}}$ = 68.5 GeV PbNe collisions

LHCb collaboration, Aaij, R.외 1034명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHCb 실험을 통해 √sNN = 68.5 GeV에서 고정표적 PbNe 충돌에서 J/ψ 및 D⁰ 생성을 처음으로 측정한다. 빠르기, 횡방향 운동량, 중심성에 걸쳐 pNe와 PbNe 충돌 간 J/ψ 억제에 유의미한 차이가 관찰되지 않아, 이 에너지에서 중심부 PbNe 충돌에서 쿼크-글루온 플라즈마의 매질 효과가 아직 주요하지 않음을 시사한다.

ABSTRACT

The first measurement of $J/ψ$ and $D^0$ production in PbNe collisions by the LHCb experiment in its fixed-target configuration is reported. The production of $J/ψ$ and $D^0$ mesons is studied with a beam of lead ions with an energy of 2.5 TeV per nucleon colliding on gaseous neon targets at rest, corresponding to a nucleon-nucleon centre-of-mass energy of $\sqrt{s_{ m NN}}$ = 68.5 GeV. The $J/ψ/D^0$ production cross-section ratio is studied as a function of rapidity, transverse momentum and collision centrality. These data are compared with measurements from $p$Ne collisions at the same energy and show no difference in the observed $J/ψ$ suppresion trend when comparing $p$Ne and PbNe peripheral collisions with PbNe central collisions.

연구 동기 및 목표

• LHCb 고정표적 설정을 사용하여 √sNN = 68.5 GeV에서 PbNe 충돌에서 J/ψ 및 D⁰ 생성을 측정하기.
• pNe 충돌과 비교해 중심부 PbNe 충돌에서 J/ψ 메손 생성이 억제되는지 조사하기.
• 매질에 영향을 받지 않는 것으로 가정하는 D⁰ 생성을 기준 채널로 사용하여 쿼르크-글루온 플라즈마의 매질 효과를 분리하기.
• 핵충돌에서의 고중량 쿼크 생성을 통해 형성된 핵물질과 쿼크-글루온 플라즈마 간 전이를 탐색하기.
• 낮은 에너지에서 QGP 형성에 대한 향후 연구를 위한 기준 제공하기.

제안 방법

• LHCb는 2.5 TeV/핵자당의 Pb 이온이 정지한 기체 Ne 표적과 충돌하는 고정표적 모드에서 운영되었다.
• J/ψ 및 D⁰ 메손은 각각 μ⁺μ⁻ 및 K∓π± 붕괴 채널을 통해 재구성되었다.
• 두 단계의 트리거 시스템이 이벤트를 선택했다: 하드웨어 트리거는 최소한 한 개의 뮤온 또는 칼로리메터 감지 신호가 필요했고, 소프트웨어 트리거는 최소 두 개의 잘 재구성된 뮤온 또는 pT > 500 MeV/c인 트랙이 필요했다.
• 오프라인 선택 조건으로는 최소 네 개의 트랙을 포함한 주점, D⁰의 이격된 점, pT < 8 GeV/c 및 2.0 < y < 4.29의 운동량 조건이 필요했다.
• 운동량 수용 범위 및 재구성 효율은 Pythia 8, EvtGen 및 Epos를 사용해 시뮬레이션된 PbNe 이벤트를 기반으로 산정되었으며, 최소 배경 이벤트에 붕괴를 통합하였다.
• 중심성은 재구성된 주점 수와 트랙 다수를 기반으로 추정되었으며, 뒷쪽 활동을 제거하여 잔여 PbPb 배경을 억제하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √sNN = 68.5 GeV에서 중심부 PbNe 충돌에서 pNe 충돌이나 비중심부 PbNe 충돌과 비교해 J/ψ 생성이 억제되는가?
• RQ2 PbNe 충돌에서 빠르기, 횡방향 운동량 또는 중심성에 따라 J/ψ/D⁰ 생성 단면적 비율이 유의미하게 변하는가?
• RQ3 이 에너지에서 매질 효과가 J/ψ 생성에 영향을 주는지, pNe 기준 데이터에서의 이격을 통해 관측 가능한가?
• RQ4 이 에너지 영역에서 D⁰ 생성이 쿼르크-글루온 플라즈마 매질에 의한 쿼르크-글루온 플라즈마 수율 변화를 정확하게 반영하는가?
• RQ5 PbNe 충돌에서 J/ψ 억제 경향은 QGP 형성 및 격자 QCD 예측과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• PbNe 충돌에서 J/ψ/D⁰ 생성 단면적 비율은 모든 빠르기, 횡방향 운동량 및 중심성 영역에서 pNe 충돌과 비교해 유의미한 억제가 관찰되지 않았다.
• 비중심부 PbNe와 pNe 충돌 간 J/ψ 억제 경향에 유의미한 차이가 없어, 이 에너지에서 강한 매질 효과가 없음을 시사한다.
• 측정된 J/ψ/D⁰ 비율은 최종 상태 상호작용이 없는 상황에서 pQCD 계산의 예측과 일치한다.
• 데이터는 √sNN = 68.5 GeV에서 중심부 PbNe 충돌에서의 쿼르크-글루온 플라즈마 억제가 유의미하게 없음을 뒷받침한다.
• 결과는 이 에너지 스케일에서 쿼크-글루온 플라즈마가 완전히 형성되지 않았거나, 아직 J/ψ 수율에 크게 영향을 주지 않는다는 것을 시사한다.
• 이 연구는 향후 LHC 고정표적 모드에서 핵-핵 충돌에서 J/ψ 및 D⁰ 생성 측정을 위한 기초 자료를 확립한다.