[논문 리뷰] Enhanced Production of Λ0𝑏 Baryons in High-Multiplicity 𝑝𝑝 Collisions at √𝑠=13 TeV

R. Aaij, A. S. W. Abdelmotteleb외 1111명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 LHCb에서 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌 데이터 5.4 fb⁻¹를 사용하여 Λ⁰_b 바리온과 B⁰ 메손의 생성 단면적 비율을 측정한다. 비율은 증가하는 충전 입자 다중도와 함께 약 2배 증가하며, 고역성량에서 e⁺e⁻ 결과와 수렴함을 발견하여, 밀도가 높은 강입자 환경에서의 응집 효과가 저에너지 pT Λ⁰_b 생성을 증가시킨다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

The production rate of $\Lambda_{b}^{0}$ baryons relative to $B^{0}$ mesons in $pp$ collisions at a center-of-mass energy $\sqrt{s} = 13$ TeV is measured by the LHCb experiment. The ratio of $\Lambda_{b}^{0}$ to $B^{0}$ production cross-sections shows a significant dependence on both the transverse momentum and the measured charged-particle multiplicity. At low multiplicity, the ratio measured at LHCb is consistent with the value measured in $e^{+}e^{-}$ collisions, and increases by a factor of $\sim2$ with increasing multiplicity. At relatively low transverse momentum, the ratio of $\Lambda_{b}^{0}$ to $B^{0}$ cross-sections is higher than what is measured in $e^{+}e^{-}$ collisions, but converges with the $e^{+}e^{-}$ ratio as the momentum increases. These results imply that the evolution of heavy $b$ quarks into final-state hadrons is influenced by the density of the hadronic environment produced in the collision. Comparisons with several models and implications for the mechanisms enforcing quark confinement are discussed.

연구 동기 및 목표

• pp 충돌에서 b 쿼크의 하드론화가 강입자 환경의 밀도에 영향을 받는지 조사하는 것.
• e⁺e⁻ 충돌에서의 Λ⁰_b/B⁰ 생성 비율과 비교하여 하드론화의 보편성을 시험하는 것.
• 근처의 parton이 바리온으로 조합되는 공생 메커니즘이 저에너지 pT에서 바리온 형성에 중요한 역할을 하는지 확인하는 것.
• 하드론 형성의 다중도 및 전단량에 따른 의존성을 조사하여, 비표류 QCD 효과를 탐색하는 것.

제안 방법

• Λ⁰_b 바리온을 Λ⁰_b → J/ψpK⁻의 붕괴 계열을 통해 재구성하며, J/ψ → μ⁺μ⁻으로 간주하고, B⁰ 메손은 B⁰ → J/ψπ⁻K⁺를 통해 재구성한다.
• LHCb 검출기의 고정밀 추적 및 입자 식별 시스템을 사용하여 최종 상태 입자를 재구성하고 식별한다.
• 전단량(pT)과 충전 입자 다중도에 따라 Λ⁰_b와 B⁰ 생성 단면적 비율을 측정한다.
• 결과를 e⁺e⁻ 충돌 데이터 및 이론 모델과 비교하여 진공 분열에서의 이탈 여부를 평가한다.
• 접수 및 선택 효과를 모델링하기 위해 Pythia를 사용한 검출기 시뮬레이션을 적용한다.
• 배경를 억제하고 신호 후보를 고립하기 위해 운동역학적 및 기하학적 선택 조건을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 Λ⁰_b 바리온의 생성 비율이 B⁰ 메손에 비해 충전 입자 다중도에 의존하는가?
• RQ2 전단량에 따라 Λ⁰_b/B⁰ 생성 단면적 비율은 어떻게 변화하며, 고pT에서 e⁺e⁻ 결과와 수렴하는가?
• RQ3 저에너지 pT 및 고다중도에서 관측된 Λ⁰_b 생성 증가 현상은 공생 기반 하드론화 모델과 일치하는가?
• RQ4 pp 충돌에서 b 쿼크의 하드론화가 e⁺e⁻ 충돌과 비교해 얼마나 비보편적인가?
• RQ5 데이터는 고다중도 이벤트에서 b 쿼크의 순수한 분열 기반 하드론화 메커니즘을 배제할 수 있는가?

주요 결과

• √s = 13 TeV에서 저다중도에서 고다중도 pp 이벤트로의 전환 시 Λ⁰_b/B⁰ 생성 단면적 비율이 약 2배 증가한다.
• 저에너지 전단량에서 Λ⁰_b/B⁰ 비율은 e⁺e⁻ 충돌보다 유의미하게 높으며, 밀도가 높은 환경에서 바리온 생성이 증가함을 시사한다.
• 전단량이 증가함에 따라 pp 충돌에서의 Λ⁰_b/B⁰ 비율은 e⁺e⁻ 충돌에서 측정된 비율과 수렴하며, 진공 유사 분열로의 전이를 시사한다.
• 관측된 다중도 의존성은 b 쿼크가 경량 parton과 함께 응집하여 형성되는 메커니즘이 저에너지 pT에서 바리온 형성에 비중시되는 역할을 한다는 것을 암시한다.
• 결과는 하드론화의 보편성 가정을 도전하며, 최종 상태의 강입자 환경이 b 쿼크의 바리온으로의 분열에 영향을 준다는 것을 보여준다.
• 데이터는 순수한 분열 기반 모델과 일치하지 않으며, 고다중도 pp 이벤트에서 공생 또는 다중 parton 상호작용을 포함하는 모델을 지지한다.