[논문 리뷰] Measurement of beauty-quark production in pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV via non-prompt D mesons

ALICE Collaboration|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 2016–2018년 동안 ALICE 검출기 데이터를 이용해 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 beauty-하드론 붕괴로부터 유도된 비프롬프트 D⁰, D⁺ 및 Dₛ⁺ 메손의 횡방향 운동량 미분 생상 단면적을 측정한다. 중간 빠르기 속도 범위 (|y| < 0.5)에서 수행된 이 측정의 핵심 결과는 beauty-쿼크 분할 분포 비율 fs/(fu + fd) = 0.114 ± 0.016 (통계) ± 0.006 (계측) ± 0.003 (브랜치 비율) ± 0.003 (외삽)로, 다양한 충돌 시스템과 에너지에서 분할 함수의 보편성과 일치한다.

ABSTRACT

The $p_{ m T}$-differential production cross sections of non-prompt ${ m D^0}$, ${ m D^+}$, and ${ m D_s^+}$ mesons originating from beauty-hadron decays are measured in proton$-$proton collisions at a centre-of-mass energy $\sqrt{s}=13$ TeV. The measurements are performed at midrapidity, $|y| &lt; 0.5$, with the data sample collected by ALICE from 2016 to 2018. The results are in agreement with predictions from several perturbative QCD calculations. The fragmentation fraction of beauty quarks to strange mesons divided by the one to non-strange mesons, $f_{ m{s}}/(f_{ m{u}} + f_{ m{d}})$, is found to be $0.114 \pm 0.016~{ m (stat.)} \pm 0.006~{ m (syst.)} \pm 0.003~{ m (BR)} \pm 0.003~{ m (extrap.)}$. This value is compatible with previous measurements at lower centre-of-mass energies and in different collision systems in agreement with the assumption of universality of fragmentation functions. In addition, the dependence of the non-prompt D meson production on the centre-of-mass energy is investigated by comparing the results obtained at $\sqrt{s} = 5.02$ and 13 TeV, showing a hardening of the non-prompt D-meson $p_{ m T}$-differential production cross section at higher $\sqrt{s}$. Finally, the ${ m b\overline{b}}$ production cross section per unit of rapidity at midrapidity is calculated from the non-prompt ${ m D^0}$, ${ m D^+}$, ${ m D_s^+}$, and $Λ_{ m c}^+$ hadron measurements, obtaining ${ m d}σ/{ m d}y = 75.2\pm 3.2~(\mathrm{stat.}) \pm 5.2~(\mathrm{syst.})^{+12.3}_{-3.2} ~(\mathrm{extrap.}) ext{ } m μb \;.$

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 비프롬프트 D⁰, D⁺ 및 Dₛ⁺ 메손의 pT-미분 생상 단면적을 측정하기 위해.
• 중간 빠르기 속도에서의 비율 fs/(fu + fd)를 측정함으로써 beauty-쿼크 분할 함수의 보편성을 검증하기 위해.
• 중심 질량 에너지(√s = 5.02 TeV 및 13 TeV) 간의 비프롬프트 D-메손 생산을 비교하여 에너지 의존도를 연구하기 위해.
• 다양한 강입자 붕괴 채널을 이용해 중간 빠르기 속도에서의 총 beauty-쿼크 생산 단면적을 단위 빠르기 속도당 측정하기 위해.

제안 방법

• 이차 정점 재구성 및 위상 선택 기준을 포함한 붕괴 체인을 통해 비프롬프트 D 메손을 재구성하기 위해.
• ALICE 검출기의 중심 벨리 트래킹 및 정점 분석 능력을 활용해 beauty-하드론 붕괴에서 유도된 이격 정점 식별하기 위해.
• 조합적 배경 및 프롬프트 D-메손 배경을 억제하기 위해 운동학적 및 위상 선택 조건을 적용하기 위해.
• pT에서의 검출기 해상도 및 효율성 영향을 보정하기 위해 반응 행렬을 사용해 편향 보정을 수행하기 위해.
• PYTHIA8 및 EPOSLHC를 사용해 신호 및 배경 기여를 모델링하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 활용하기 위해.
• pT-미분 단면적을 추출하기 위해 정규화된 반복 절차를 포함한 베이지안 편향 보정 방법을 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 비프롬프트 D⁰, D⁺ 및 Dₛ⁺ 메손의 pT-미분 생상 단면적은 얼마인가요?
• RQ2 beauty-쿼크가 이상 메손으로 분할되는 비율 대비 비이상 메손으로의 분할 비율이 다양한 충돌 시스템과 에너지에서 보편성과 일치하는가요?
• RQ3 중심 질량 에너지가 √s = 5.02 TeV에서 13 TeV로 증가함에 따라 비프롬프트 D-메손 생산 단면적은 어떻게 변화하는가요?
• RQ4 D⁰, D⁺, Dₛ⁺ 및 Λ⁺c 하드론의 측정치를 종합하여 중간 빠르기 속도에서의 총 beauty-쿼크 생산 단면적(단위 빠르기 속도당)은 얼마인가요?

주요 결과

• beauty-쿼크가 이상 메손으로 분할되는 비율 대비 비이상 메손으로의 분할 비율을 측정한 결과, fs/(fu + fd) = 0.114 ± 0.016 (통계) ± 0.006 (계측) ± 0.003 (브랜치 비율) ± 0.003 (외삽)로 도출되었다.
• 이 값은 이전에 낮은 중심 질량 에너지 및 다른 충돌 시스템에서의 측정 결과와 일치하며, 분할 함수의 보편성에 대한 지지를 제공한다.
• 비프롬프트 D-메손의 pT-미분 단면적은 √s가 높아짐에 따라 더 뚜렷한 경향을 보이며, √s = 5.02 TeV에 비해 고pT 영역에서 더 급격히 증가하는 경향을 나타낸다.
• 중간 빠르기 속도에서의 총 beauty-쿼크 생산 단면적(단위 빠르기 속도당)은 dσ/dy = 75.2 ± 3.2 (통계) ± 5.2 (계측) +12.3⁄−3.2 (외삽) µb로 측정되었다.
• 이 측정은 D⁰의 pT 해상도를 향상시키고 D⁺ 및 Dₛ⁺ 메손 기여를 포함함으로써 이전 결과를 초월한다.
• 결과는 NLO pQCD 예측(GM-VFNS 및 FONLL 프레임워크 사용)과 일치하며, LHC 에너지에서 이론 모델의 타당성을 검증한다.