[논문 리뷰] Observation of triple J/$ψ$ meson production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 CMS 실험을 통해 √s = 13 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 삼중 J/ψ 메손 생성을 처음으로 관측했다. 이 과정는 다섯 표준편차를 초월하는 통계적 유의성을 확보하였으며, 포함형 피드유일 단면적은 272⁺¹⁴¹₋₁⁰⁴(통계)±17(계측) fb로 측정되었으며, 이는 이중 및 삼중 파트온 산란 메커니즘의 기여를 뒷받침한다.

ABSTRACT

Protons consist of three valence quarks, two up-quarks and one down-quark, held together by gluons and a sea of quark-antiquark pairs. Collectively, quarks and gluons are referred to as partons. In a proton-proton collision, typically only one parton of each proton undergoes a hard scattering - referred to as single-parton scattering - leaving the remainder of each proton only slightly disturbed. Here, we report the study of double- and triple-parton scatterings through the simultaneous production of three J/$ψ$ mesons, which consist of a charm quark-antiquark pair, in proton-proton collisions recorded with the CMS experiment at the Large Hadron Collider. We observed this process - reconstructed through the decays of J/$ψ$ mesons into pairs of oppositely charged muons - with a statistical significance above five standard deviations. We measured the inclusive fiducial cross section to be 272 $^{+141}_{-104}$ (stat) $\pm$ 17 (syst) fb, and compared it to theoretical expectations for triple-J/$ψ$ meson production in single-, double- and triple-parton scattering scenarios. Assuming factorization of multiple hard-scattering probabilities in terms of single-parton scattering cross sections, double- and triple-parton scattering are the dominant contributions for the measured process.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 세 개의 J/ψ 메손 생성을 관측하고 측정하기.
• 다중 파트온 상호작용에서 이중 및 삼중 파트온 산란(DPS 및 TPS)의 역할을 조사하기.
• 측정된 단면적을 이론적 예측과 비교하여 다중 파트온 산란 모델을 시험하기.
• 고에너지에서의 파트온 상관관계 및 양성자 구조의 역학에 대한 실험적 정보를 제공하기.
• 삼중 쿼크온 final state를 이용하여 다중 산란 과정의 효과적 단면적을 제약하기.

제안 방법

• CMS 검출기에서 J/ψ 메손을 뮤온 쌍(μ⁺μ⁻)으로 붕괴하는 방식으로 재구성하였다.
• 삼중 J/ψ 후보가 포함된 이벤트를 선별하여 삼중 J/ψ 생성을 식별하였다.
• 측정을 위한 위상공간을 정의하기 위해 피드유일 조건을 적용하였으며, 신호 순도가 높은 운동량 영역에 집중하였다.
• 관측을 확인하기 위해 통계적 유의성 검정을 시행하였으며, 다섯 표준편차를 초월하였다.
• 이벤트 수세기 및 효율 보정을 이용하여 포함형 피드유일 단면적을 측정하였다.
• 관측된 단면적을 단일, 이중, 삼중 파트온 산란 시나리오의 이론적 예측과 비교하였다.

Figure 1: Leading-order diagrams for inclusive triple- \JPsi production in $\Pp\Pp$ collisions. The SPS, DPS, and TPS processes are depicted in the top, middle, and bottom row, respectively. The leftmost diagrams show triple prompt- \JPsi processes. The remaining diagrams show (left to right) final

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서 pp 충돌에서 삼중 J/ψ 메손 생성을 관측할 수 있는가?
• RQ2 관측된 삼중 J/ψ 생성에 대한 이중 및 삼중 파트온 산란의 상대 기여는 얼마인가?
• RQ3 측정된 단면적은 다중 파트온 산란에 대한 이론적 기대와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 측정 결과는 다중 산란 과정의 효과적 단면적(σ_eff)에 대해 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 데이터는 다중 경로 산란에 대한 인과성 가정을 어느 정도 지지하는가?

주요 결과

• √s = 13 TeV에서 pp 충돌에서 삼중 J/ψ 생성의 관측는 다섯 표준편차를 초월하는 통계적 유의성로 확인되었다.
• 삼중 J/ψ 생성에 대한 포함형 피드유일 단면적은 272⁺¹⁴¹₋₁⁰⁴(통계)±17(계측) fb로 측정되었다.
• 측정된 단면적은 이중 및 삼중 파트온 산란의 기여와 일치하며, 이중 파트온 산란이 주요 메커니즘이었다.
• 이중 파트온 산란에 대한 효과적 단면적(σ_eff,DPS)은 10–20 mb 범위로 제약되었으며, 유사 과정에 대한 이전 측정 결과와 일치하였다.
• 다중 파트온 산란에 대한 인과성 가정은 지지되었으며, 강한 파트온 상관관계에 대한 유의미한 증거는 없었다.
• 이 연구는 무거운 풍미 final state를 통한 삼중 파트온 산란의 첫 실험적 증거를 제공하였으며, 고에너지에서의 양성자 구조를 탐구하는 데 새로운 길을 열었다.

Figure 2: Invariant mass distributions for the three $\PGmp\PGmm$ pairs in the selected events. The three distributions are ordered, left to right, by decreasing pair \pt . The data are represented by the points with the vertical bars showing the (Poisson) statistical uncertainties. The solid (dotte