[논문 리뷰] Measurement of associated $J/ψ$-$ψ(2S)$ production cross-section in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV

LHCb Collaboration, A. S. W. Abdelmotteleb외 1106명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 57인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 LHCb 실험에서 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌 데이터 4.2 fb⁻¹를 사용하여 J/ψ-ψ(2S) 쌍 생성의 첫 번째 측정을 제시한다. 단면적은 4.5 ± 0.7(stat) ± 0.3(syst) nb로 측정되었으며, 미분 단면적과 J/ψ-J/ψ 생성에 대한 단면적 비율 0.274 ± 0.044(stat) ± 0.008(syst)을 제공하여 양자 chromodynamics(QCD)에서 단일 및 이중 parton 산란 메커니즘을 시험하기 위한 중요한 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

The cross-section of associated $J/ψ$-$ψ(2S)$ production in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=13$ TeV is measured using a data sample corresponding to an integrated luminosity of 4.2 fb$^{-1}$, collected by the LHCb experiment. The measurement is performed for both $J/ψ$ and $ψ(2S)$ mesons having transverse momentum $p_{ ext{T}}<14$ GeV/$c$ and rapidity $2.0

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 J/ψ 및 ψ(2S) 셀레늄 상태의 연속 생성 단면적을 측정하기 위해.
• 쿼크류미온 쌍 생성에서 단일 parton 산란(SPS)과 이중 parton 산란(DPS)의 상대 기여를 조사하기 위해.
• 이론적 모델링 향상을 위해 운동량 차이(∆y), 위상각 차이(∆ϕ), 운동량(pT), 빠르기(y), 그리고 궁극적 질량(mJ/ψ-ψ(2S))와 같은 운동학적 변수에 대한 함수로서의 미분 단면적을 제공하기 위해.
• 단일 산란(SPS)과 이중 산란(DPS) 메커니즘을 시험하기 위해 J/ψ-ψ(2S)와 J/ψ-J/ψ 생성 단면적의 비율을 결정하기 위해.

제안 방법

• √s = 13 TeV에서 LHCb 실험에서 수집한 4.2 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용하여.
• 횡방향 운동량(pT < 14 GeV/c)과 빠르기(2.0 < y < 4.5)에 대한 선택 기준을 적용하여 J/ψ → μ⁺μ⁻ 및 ψ(2S) → J/ψ → μ⁺μ⁻ 붕괴를 재구성하여.
• 운동학적 피팅과 코어 점의 재구성을 적용하여 J/ψ-ψ(2S) 후보를 식별하고 조합 배경을 억제하기 위해.
• 통계적 및 체계적 불확실성과 함께 ∆y, ∆ϕ, pT, y, 그리고 궁극적 질량 mJ/ψ-ψ(2S)에 대한 함수로서의 미분 단면적을 측정하여.
• 이전 LHCb 측정에서의 J/ψ-J/ψ 생성 결과와 J/ψ-ψ(2S) 결과를 조합하여 단면적 비율을 계산하기 위해.
• J/ψ 및 ψ(2S) 메손의 극화가 무시할 만큼 작다고 가정하여, 이는 이전 LHC 측정과 일치함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 연속 J/ψ-ψ(2S) 생성의 포함 단면적은 얼마인가요?
• RQ2 J/ψ-ψ(2S) 생성의 미분 단면적은 빠르기 차이(∆y)와 자세각 차이(∆ϕ)와 같은 운동학적 변수에 따라 어떻게 변화합니까?
• RQ3 J/ψ-ψ(2S) 생성 단면적과 J/ψ-J/ψ 생성 단면적의 비율은 얼마이며, 이 비율은 운동학적 변수에 따라 어떻게 변화합니까?
• RQ4 측정된 단면적 비율은 쿼크류미온 쌍 생성에서 단일 parton 산란(SPS)과 이중 parton 산란(DPS) 메커니즘을 구별하는 데 도움이 될 수 있나요?

주요 결과

• J/ψ-ψ(2S) 쌍의 포함 생성 단면적은 4.5 ± 0.7(stat) ± 0.3(syst) nb로 측정됨.
• ∆y, ∆ϕ, pT, y, mJ/ψ-ψ(2S)에 대한 함수로서의 미분 단면적이 측정되었으며, 표 2–6에 세부적인 구간과 불확실성이 제공됨.
• J/ψ-ψ(2S)와 J/ψ-J/ψ 생성 단면적의 비율은 0.274 ± 0.044(stat) ± 0.008(syst)로 측정되었으며, 운동학적 구간에 따라 변화가 관찰됨.
• ∆y = 1.0–1.4 간격에서 비율은 0.49 ± 0.13(stat) ± 0.03(syst)에 도달하여 중간 빠르기 간격에서의 생성 증가를 나타냄.
• ∆ϕ = 0.0–0.2 간격에서 비율은 0.36 ± 0.13(stat) ± 0.02(syst)로 측정되어 각도 상관관계에 민감함을 보임.
• 측정된 단면적 비율은 DPS 우세성에 대한 예측과 일치하며, SPS에서는 ψ(2S)의 피드다운 기여가 DPS보다 더 높기 때문에 산란 메커니즘을 시험하기 위한 핵심 테스트가 됨.