[논문 리뷰] Observation of the $\Upsilon$(3S) meson and suppression of $\Upsilon$ states in PbPb collisions at $\sqrt{s_\mathrm{NN}}$ = 5.02 TeV

A. Tumasyan, W. Adam외 2368명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 59인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 CMS 검출기에서 √sNN = 5.02 TeV 조건 하에서 PbPb 충돌에서 Υ(3S) 메손을 처음으로 관측하였다. 하중자기 상태의 순차적 억제를 입증하였으며, Υ(2S)보다 Υ(3S)의 억제가 더 강하다는 점에서 양성자-구성입자 플라즈마 내부의 영향을 뒷받침하는 증거를 제공한다.

ABSTRACT

The production of $\Upsilon$(2S) and $\Upsilon$(3S) mesons in lead-lead (PbPb) and proton-proton (pp) collisions is studied in their dimuon decay channel using the CMS detector at the LHC. The $\Upsilon$(3S) meson is observed for the first time in PbPb collisions, with a significance above five standard deviations. The ratios of yields measured in PbPb and pp collisions are reported for both the $\Upsilon$(2S) and $\Upsilon$(3S) mesons, as functions of transverse momentum and PbPb collision centrality. These ratios, when appropriately scaled, are significantly less than unity, indicating a suppression of $\Upsilon$ yields in PbPb collisions. This suppression increases from peripheral to central PbPb collisions. Furthermore, the suppression is stronger for $\Upsilon$(3S) mesons compared to $\Upsilon$(2S) mesons, extending the pattern of sequential suppression of quarkonium states in nuclear collisions previously seen for the $\psi$/J, $\psi$(2S), $\Upsilon$(1S), and $\Upsilon$(2S) mesons.

연구 동기 및 목표

• PbPb 충돌에서 Υ(3S) 메손을 최초로 관측하기 위해.
• PbPb 및 pp 충돌에서 Υ(2S) 및 Υ(3S) 메손의 핵소개 수정 인자(RAA)를 측정하기 위해.
• Υ 억제의 중심도 및 횡방향 운동량 의존성 조사하기 위해.
• 양성자-구성입자 플라즈마 내에서 양성자기 상태의 순차적 억제 패턴 테스트하기 위해.

제안 방법

• CMS 검출기 데이터에서 Υ(2S) 및 Υ(3S) 메손을 식별하기 위해 이무온 붕괴 채널을 사용하였다.
• 1.61 nb⁻¹의 PbPb 및 300 pb⁻¹의 pp 통합 루미너시를 사용하여 √sNN = 5.02 TeV 조건 하에서 PbPb 및 pp 충돌에서 수확량을 측정하였다.
• 이중 NN 충돌 수에 비례하여 PbPb와 pp 수확량을 스케일링한 후 핵소개 수정 인자(RAA)를 계산하였다.
• 충돌 기하구조를 분류하기 위해 HF 칼로미터에서의 총 횡방향 에너지를 중심도 선택 기준으로 적용하였다.
• PbPb 배경을 모델링하기 위해 PYTHIA 8.212(CP5 튜닝) 및 HYDJET 1.9에 임베딩된 이벤트를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다.
• 주 충돌점, 트랙 품질, 뮤온 식별 및 pT > 3.5 GeV/c 컷을 적용하여 이벤트 선택을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5.02 TeV에서 PbPb 충돌에서 Υ(3S) 메손이 관측되었는가?
• RQ2 Υ(2S) 및 Υ(3S) 메손의 억제는 PbPb 충돌의 중심도에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 Υ(3S)의 억제가 Υ(2S)보다 더 강한가? 이는 순차적 억제를 시사하는가?
• RQ4 PbPb와 pp 충돌에서 Υ(3S)/Υ(2S) 수확량의 이중 비율은 순차적 억제 패턴을 지지하는가?

주요 결과

• Υ(3S) 메손은 다섯 표준편차를 초월하는 유의수준으로 PbPb 충돌에서 관측되었다.
• Υ(2S) 및 Υ(3S)의 핵소개 수정 인자(RAA)는 모두 유니티보다 유의미하게 작으며, 이는 PbPb 충돌에서의 억제를 시사한다.
• 외곽에서 중심에 이르기까지 억제가 증가하며, 중심 충돌에서 더 강한 매질 효과와 일치한다.
• Υ(3S)의 억제는 Υ(2S)보다 더 강하며, J/ψ, ψ(2S), Υ(1S), Υ(2S)에서 관측된 바와 같은 순차적 억제 패턴을 확인한다.
• PbPb 대비 pp에서 Υ(3S)/Υ(2S) 수확량의 이중 비율은 중심 충돌에서 명확한 증가를 보이며, 순차적 억제를 지지한다.
• 결과는 양성자-구성입자 플라즈마 내부의 매질 효과 이론 예측과 일치하며, 더 낮은 결합 에너지를 가진 상태일수록 더 강한 억제가 일어남을 시사한다.