[논문 리뷰] Measurement of the cross-section ratio $\sigma_{\psi(2S )}/\sigma_{J/\psi(1S )}$ in exclusive photoproduction at HERA

ZEUS Collaboration, Abt, I.외 81명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 HERA에서 373 pb⁻¹의 데이터를 사용하여 배타적 광생산에서의 단면적 비율 R = σψ(2S)/σJ/ψ(1S)를 측정하였으며, 운동역학적 범위 30 < W < 180 GeV, Q² < 1 GeV², |t| < 1 GeV²를 탐색하였다. 비율 R는 W에 대한 함수로 일정한 값과 일관되며, |t|에 따라 느리게 증가하고, Q²가 낮아질수록 감소하는 경향을 보이며, 이는 이전의 추세를 확인하고 벡터-메손 생성에 대한 QCD 기반 모델에 대한 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

The exclusive photoproduction reactions $γp o J/ψ(1S) p$ and $γp o ψ(2S) p$ have been measured at an $ep$ centre-of-mass energy of 318 GeV with the ZEUS detector at HERA using an integrated luminosity of 373 pb$^{-1}$. The measurement was made in the kinematic range $30 &lt; W &lt; 180$ GeV, $Q^2 &lt; 1$ GeV$^2$ and $|t| &lt; 1$ GeV$^2$, where $W$ is the photon--proton centre-of-mass energy, $Q^2$ is the photon virtuality and $t$ is the squared four-momentum transfer at the proton vertex. The decay channels used were $J/ψ(1S) o μ^+ μ^-$, $ψ(2S) o μ^+ μ^-$ and $ψ(2S) o J/ψ(1S) π^+ π^-$ with subsequent decay $J/ψ(1S) o μ^+ μ^-$. The ratio of the production cross sections, $R = σ_{ψ(2S)} / σ_{J/ψ(1S)}$, has been measured as a function of $W$ and $|t|$ and compared to previous data in photoproduction and deep inelastic scattering and with predictions of QCD-inspired models of exclusive vector-meson production, which are in reasonable agreement with the data.

연구 동기 및 목표

• HERA에서의 ep 충돌 조건에서 ψ(2S) 및 J/ψ(1S) 메손의 배타적 광생산 단면적 비율을 측정하는 것.
• 비율 R = σψ(2S)/σJ/ψ(1S)가 W(광자-핵자 중심질량계 에너지), |t|(4-모멘텀 전이), Q²(광자의 가짜 질량)에 따라 어떻게 변화하는지 조사하는 것.
• ZEUS 실험에서 확보한 고정밀도 데이터를 이용하여 배타적 벡터-메손 생성에 대한 QCD 기반 모델을 검증하는 것.
• 운동역학 변수 전반에 걸쳐 데이터를 예측과 비교하여 이론적 모델에 대한 새로운 제약 조건을 제공하는 것.

제안 방법

• 배타적 광생산 사건은 HERA의 ZEUS 검출기에서 재구성되었으며, √s = 318 GeV에서의 ep 충돌을 대상으로 하였다.
• 붕괴 채널로는 J/ψ(1S) → μ⁺μ⁻, ψ(2S) → μ⁺μ⁻, 그리고 ψ(2S) → J/ψ(1S)π⁺π⁻ (다음으로 J/ψ(1S) → μ⁺μ⁻ 붕괴 포함)를 사용하였다.
• Q² < 1 GeV², 30 < W < 180 GeV, |t| < 1 GeV² 조건을 갖는 운동역학적 선택 기준을 통해 비율 R을 W, |t|, Q²의 함수로 추출하였다.
• 세 가지 QCD 기반 모델(BCC(핫스팟), JN(색다이폴 모형, 기울임 포함), LM(BFKL/IP-Sat, 강화된 가우시안 파동함수 포함))의 예측과 데이터를 비교하였다.
• 체크 샘플과 검출기 반응 시뮬레이션을 통해 체계적 오차를 평가하였다.
• 분석에는 통합 루미너시티 373 pb⁻¹를 사용하였으며, 이벤트 선택은 뮤온 식별 및 코어 위치 재구성 기반으로 이루어졌다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 배타적 광생산에서 비율 R = σψ(2S)/σJ/ψ(1S)는 광자-핵자 중심질량계 에너지 W에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 핵자 접점에서의 4-모멘텀 전이 |t|에 따라 단면적 비율 R은 어떻게 의존하는가?
• RQ3 Q²에 따라 R은 어떻게 변화하는가, 특히 Q² → 0으로 갈수록 어떻게 되는가?
• RQ4 QCD 기반 모델은 측정된 R의 W, |t|, Q² 의존성을 어느 정도 정확하게 기술하는가?
• RQ5 데이터는 ψ(2S) 및 J/ψ(1S) 생성에 대한 이론적 오차의 제약 조건을 어떻게 제공하는가?

주요 결과

• 비율 R = σψ(2S)/σJ/ψ(1S)는 30 < W < 180 GeV 범위에서 W에 대한 함수로 일정한 값과 일관되며 일정하게 유지된다.
• |t|가 증가함에 따라 느리고 미약한 증가 경향이 관측되었으며, 이는 모델 예측과 일치한다.
• Q²가 낮아질수록 R이 감소하는 경향이 확인되었으며, Q²가 0 GeV²에 가까워질수록 R이 감소한다.
• BCC 모델은 데이터보다 높은 R 값을 예측하지만, LM 모델은 낮은 값을 예측하며, JN 모델이 가장 우수한 정규화 일치를 보인다.
• BCC, JN, LM 세 모델 모두 W 및 |t| 의존성을 합리적으로 잘 기술하며, 유사한 기울기를 보이지만 최대 2배의 절대 정규화 차이를 보인다.
• 광생산 및 DIS 데이터의 통합 결과는 Q² 증가에 따라 R이 급격히 증가하는 경향을 보이며, 이는 모델 예측과 일치한다. 또한 광생산 데이터는 낮은 Q²에서의 모델 행동을 제약하는 데 기여한다.