[논문 리뷰] Measurement of $J/ψ$-pair production in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV and study of gluon transverse-momentum dependent PDFs

LHCb Collaboration, R. Aaij외 1106명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 LHCb 실험에서 4.2 fb⁻¹의 적분 루미너스를 사용하여 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 J/ψ 쌍 생성을 통해 비극성된 양성자 내 선형 편광된 글루온의 첫 번째 실험적 측정을 제시한다. 연구는 미분 단면적을 측정하고, 단일-파트온 충돌(SPS) 및 이중-파트온 충돌(DPS) 기여를 분리하며, Collins-Soper 프레임에서의 애자주얼 비대칭이 몇 퍼센트 수준에서 0과 일치함을 발견하여, 글루온의 횡방향 운동량 의존적 부분자 분포 함수(TMD)에 대한 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

The production cross-section of $J/ψ$ pairs 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 with both $J/ψ$ mesons in the transverse momentum range $0

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 J/ψ 쌍 생성의 포함 단면적을 측정하기 위해.
• 단일-파트온 충돌(SPS)과 이중-파트온 충돌(DPS)의 기여를 단면적의 ∆y 의존성에 기반해 분리하기 위해.
• 특히 선형 편광된 글루온 분포 h⊥g₁을 포함한 횡방향 운동량 의존적 부분자 분포 함수(TMD)를 탐색하기 위해.
• J/ψ 쌍의 pT 스펙트럼과 Collins-Soper 프레임에서의 애자주얼 각도 분포를 측정하여 글루온 TMD를 제약하기 위해.
• DPS에 대한 효과적 단면적 σeff를 추출하여, 부분자 상관관계 연구에 핵심적인 매개변수를 제공하기 위해.

제안 방법

• LHCb 실험에서 수집한 4.2 fb⁻¹의 적분 루미너스를 사용하여 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 J/ψ 쌍 생성을 측정한다.
• J/ψ → μ⁺μ⁻ 붕괴를 재구성하며, 횡방향 운동량 0 < pT < 14 GeV/c 및 빠르기 2.0 < y < 4.5의 조건을 적용한다.
• 두 개의 J/ψ 메손 간의 절대 빠르기 차이 ∆y를 사용하여 단면적에 대한 피팅을 통해 SPS와 DPS 기여를 분리한다.
• Collins-Soper 프레임에서 한 개의 J/ψ의 애자주얼 각도 ϕCS를 측정하고, ⟨cos 2ϕCS⟩ 및 ⟨cos 4ϕCS⟩를 계산하여 글루온 편광을 탐색한다.
• yJ/ψ, pdi-J/ψT, 및 mdi-J/ψ에 대한 함수로서의 미분 단면적 측정을 수행하며, SPS 및 DPS 성분을 별도로 처리한다.
• 검출기 해상도 및 효율을 보정하기 위해 언폴딩 및 보정 기법을 적용하고, 시스템적 불확실도 추정을 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지정된 운동량 범위 내에서 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 J/ψ 쌍 생성의 총 생성 단면적은 얼마인가요?
• RQ2 단일-파트온 충동과 이중-파트온 충동은 J/ψ 쌍 생성에 어느 정도 기여하며, ∆y 의존성에 의해 어떻게 분리될 수 있나요?
• RQ3 이중-파트온 충동에 대한 효과적 단면적 σeff는 얼마이며, 이는 양성자 내 부분자의 공간적 겹침에 대해 무엇을 드러내나요?
• RQ4 비극성된 양성자 내 선형 편광된 글루온을 시사하는 애자주얼 비대칭이 관측되는가요?
• RQ5 J/ψ 쌍의 pT 스펙트럼은 빠르기 및 진동 질량에 따라 어떻게 변화하며, 이는 글루온 TMD f g₁(x, kT², µ)에 어떤 제약 조건을 제공하나요?

주요 결과

• J/ψ 쌍 생성 총 단면적은 16.36 ± 0.28 (통계) ± 0.88 (시스템) nb로 측정되었다.
• 이중-파트온 충동에 대한 효과적 단면적은 σeff = 13.1 ± 1.8 (통계) ± 2.3 (시스템) mb로 결정되었다.
• 애자주얼 비대칭 계수 ⟨cos 2ϕCS⟩ 및 ⟨cos 4ϕCS⟩는 0과 일치하지만, 몇 퍼센트 수준의 작은 비대칭이 허용된다.
• yJ/ψ에 대한 미분 단면적 dσ/dyJ/ψ는 y = 2.0에서 4.5까지 0.25 단위의 밴드로 측정되었으며, 최고 밴드에서 1.39 ± 0.39 ± 0.37 nb의 값을 가졌다.
• J/ψ 쌍의 pT 스펙트럼은 빠르기 및 진동 질량에 따라 명백한 의존성을 보였으며, SPS 성분의 경우 2.0 < ydi-J/ψ < 3.0 범위의 1–2 GeV/c 밴드에서 최대 1.907 ± 0.354 ± 0.303 nb/(GeV/c)의 미분 단면적을 기록했다.
• DPS로부터 완전히 분리된 SPS 성분의 pT 스펙트럼이 추출되어, TMD 진화 효과를 고려한 글루온 TMD f g₁(x, kT², µ)에 대한 개선된 제약 조건이 가능해졌다.