[论文解读] Measurement of $J/ψ$-pair production in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV and study of gluon transverse-momentum dependent PDFs

LHCb Collaboration, R. Aaij+1106 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文首次通过在√s = 13 TeV的pp碰撞中利用LHCb实验的4.2 fb⁻¹数据测量了未极化质子内部线性极化的胶子，方法为J/ψ双粒子产生。该研究测量了微分截面，分离了单部分子散射（SPS）与双部分子散射（DPS）的贡献，并发现柯林斯-索珀框架中的方位角不对称性在百分之几的水平上与零一致，从而对胶子横动量依赖部分子分布函数（TMDs）提供了约束。

ABSTRACT

The production cross-section of $J/ψ$ pairs in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=13$ TeV is measured using a data sample corresponding to an integrated luminosity of 4.2 fb$^{-1}$ collected by the LHCb experiment. The measurement is performed with both $J/ψ$ mesons in the transverse momentum range $0

研究动机与目标

• 测量在√s = 13 TeV的pp碰撞中J/ψ双粒子产生的总截面。
• 利用截面的∆y依赖性，分离单部分子散射（SPS）与双部分子散射（DPS）的贡献。
• 探测横动量依赖部分子分布函数（TMDs），特别是线性极化胶子分布h⊥g₁。
• 测量J/ψ对的pT谱以及柯林斯-索珀框架中的方位角分布，以约束胶子TMDs。
• 提取DPS的有效截面σeff，这是研究部分子关联的关键参数。

提出的方法

• 利用LHCb实验收集的4.2 fb⁻¹积分亮度，在√s = 13 TeV的pp碰撞中测量J/ψ双粒子产生。
• 重建J/ψ → μ⁺μ⁻衰变，要求横动量0 < pT < 14 GeV/c，快度2.0 < y < 4.5。
• 利用两个J/ψ之间的绝对快度差∆y，通过截面的拟合来分离SPS与DPS贡献。
• 测量柯林斯-索珀框架中一个J/ψ的方位角ϕCS，计算⟨cos 2ϕCS⟩与⟨cos 4ϕCS⟩以探测胶子极化。
• 测量作为yJ/ψ、pdi-J/ψT与mdi-J/ψ函数的微分截面，分别给出SPS与DPS分量。
• 应用去卷积与修正技术以考虑探测器分辨率与效率的影响，使用蒙特卡罗模拟估算系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在指定的运动学范围内，√s = 13 TeV的pp碰撞中J/ψ对的总产生截面是多少？
• RQ2 单部分子散射与双部分子散射在双J/ψ产生中分别贡献多大？如何利用∆y依赖性实现分离？
• RQ3 双部分子散射的有效截面σeff是多少？它揭示了质子内部分子空间重叠的何种信息？
• RQ4 是否存在J/ψ对产生中的方位角不对称性，这将表明未极化质子内部存在线性极化的胶子？
• RQ5 J/ψ对的pT谱如何随快度与不变质量变化？这些谱对胶子TMD f g₁(x, kT², µ)施加了何种约束？

主要发现

• 测得J/ψ对的总产生截面为16.36 ± 0.28（统计）± 0.88（系统）nb。
• 确定双部分子散射的有效截面为σeff = 13.1 ± 1.8（统计）± 2.3（系统）mb。
• 方位角不对称性参数⟨cos 2ϕCS⟩与⟨cos 4ϕCS⟩与零一致，但允许在百分之几水平上的微小不对称性。
• 在y = 2.0至4.5之间以0.25单位为间隔测量了dσ/dyJ/ψ，最高区间值为1.39 ± 0.39 ± 0.37 nb。
• J/ψ对的pT谱显示出对快度与不变质量的明显依赖性，SPS分量的微分截面在2.0 < ydi-J/ψ < 3.0区间、1–2 GeV/c的pT范围内达到1.907 ± 0.354 ± 0.303 nb/(GeV/c)。
• SPS分量的pT谱已实现与DPS的完全分离，使得在考虑TMD演化效应的前提下，对胶子TMD f g₁(x, kT², µ)的约束得到显著改善。