[论文解读] Charmonium production in pp collisions with ALICE at the LHC

L. Altenkamper|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2019

High-Energy Particle Collisions Research被引用 1

一句话总结

该论文报告了ALICE在√s = 13 TeV的pp碰撞中，于前向快度区测量的J/ψ和ψ(2S)的总截面，以及在中间快度区的J/ψ极化与J/ψ–强子关联数据。结果表明，总截面与非相对论性QCD（NRQCD）和FONLL模型预测值基本一致，而极化数据支持非零但较小的值，J/ψ–强子关联则表明近侧峰主要由非瞬发贡献，对现有模型同时描述所有可观测量提出了挑战。

ABSTRACT

Charmonia, bound states of charm and anti-charm quarks, represent an interesting probe for the study of Quantum Chromodynamics (QCD) since their production involves both hard and soft energy scales. Several effective models are available to describe the production of charmonia, but so far none have been able to describe all experimental observables simultaneously. ALICE has studied the production of charmonia in different collision systems at all available LHC energies at both mid- and forward-rapidity down to zero transverse momentum. In this contribution, different measurements performed in proton--proton (pp) collisions are presented, namely $p_{ ext{T}}$-differential cross sections of inclusive J/$\psi$ and $\psi(2 ext{S})$, inclusive J/$\psi$ polarization measurements and the latest results on correlations between inclusive J/$\psi$ and unidentified charged hadrons. The results are also compared to model predictions.

研究动机与目标

• 测量LHC能量下pp碰撞中底夸克偶素的总截面，以检验基于QCD的理论模型。
• 通过前向快度区的极化测量，约束瞬发底夸克偶素产生机制。
• 通过J/ψ与未识别带电强子之间的关联，探究近侧峰的起源。
• 将实验结果与NRQCD、CSM、CEM和PYTHIA 8等理论模型进行比较，以确保各可观测量之间的一致性。

提出的方法

• 通过二轻子衰变道重建J/ψ和ψ(2S)，分别使用中央能量区的二电子道和前向快度区的二μ子道。
• 利用TPC和ITS进行轨迹重建与电子识别；通过μ子谱仪与RPC实现μ子重建与触发。
• 应用不变质量重建方法，从轻子对中提取底夸克偶素信号。
• 通过在Collins-Soper和螺旋度框架下测量二μ子衰变产物的角分布，测定极化。
• 利用每触发事件的原始产额随∆ϕ的变化关系分析J/ψ–强子关联，并在后续工作中进行探测器效率修正。
• 通过NRQCD（在高pT时引入CGC）、FONLL（用于非瞬发）以及PYTHIA 8（分别处理瞬发与非瞬发贡献）的模型预测进行数据对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV的pp碰撞中，NRQCD与FONLL模型对J/ψ和ψ(2S)总截面的描述效果如何？
• RQ2 在前向快度区，包含J/ψ的极化状态为何？其对瞬发J/ψ产生模型有何约束？
• RQ3 J/ψ–强子关联中的近侧峰由何驱动？其是否主要由瞬发或非瞬发J/ψ贡献？
• RQ4 PYTHIA 8能否再现观测到的J/ψ–强子关联结构，特别是远侧峰的展宽？
• RQ5 为何当前有效模型无法同时准确描述所有底夸克偶素可观测量？

主要发现

• 在√s = 13 TeV的前向快度区pp碰撞中，J/ψ和ψ(2S)的总截面与NRQCD（含CGC）和FONLL模型预测值之和基本一致，分别对应瞬发与非瞬发贡献。
• 在√s = 8 TeV下，包含J/ψ的极化测量结果与无极化一致，介于CSM与NRQCD对瞬发J/ψ的预测之间，表明需要更精细的理论建模。
• 在√s = 13 TeV的pp碰撞中，中等快度区的J/ψ–强子关联中观测到近侧峰，而远侧峰因|∆η| < 0.2的严格限制而被展宽。
• 与PYTHIA 8的对比表明，近侧关联主要由非瞬发J/ψ贡献驱动，暗示B介子衰变产物或强子碎片化的作用。
• 数据表明，当前模型难以同时准确描述截面、极化与关联可观测量，凸显了改进理论框架的必要性。
• 初步结果表明，未来对瞬发J/ψ–强子关联的测量可进一步约束理论预测。