[论文解读] Measurement of $\psi(2S)$ nuclear modification at backward and forward rapidity in $p$$+$$p$, $p$$+$Al, and $p$$+$Au collisions at $\sqrt{s_{_{NN}}}=200$ GeV

U.A. Acharya, C. Aidala+314 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用 2

一句话总结

本研究利用RHIC的PHENIX探测器，在√sNN = 200 GeV的p+Au、p+Al和p+p碰撞中，测量了前向和后向快度区域的ψ(2S)粲偶素态的核修改因子。与p+p相比，观测到ψ(2S)在p+Au和p+Al中存在显著抑制，表明存在强烈的末态效应，如部分子能量损失和介质诱导解离，且前向快度区域的抑制更强，与增强的冷核物质效应一致。

ABSTRACT

Suppression of the $J/\psi$ nuclear-modification factor has been seen as a trademark signature of final-state effects in large collision systems for decades. In small systems, the nuclear modification was attributed to cold-nuclear-matter effects until the observation of strong differential suppression of the $\psi(2S)$ state in $p/d$$+$$A$ collisions suggested the presence of final-state effects. Results of $J/\psi$ and $\psi(2S)$ measurements in the dimuon decay channel are presented here for $p$$+$$p$, $p$$+$Al, and $p$$+$Au collision systems at $\sqrt{s_{_{NN}}}=200$ GeV. The results are predominantly shown in the form of the nuclear-modification factor, $R_{pA}$, the ratio of the $\psi(2S)$ invariant yield per nucleon-nucleon collision in collisions of proton on target nucleus to that in $p$$+$$p$ collisions. Measurements of the $J/\psi$ and $\psi(2S)$ nuclear-modification factor are compared with shadowing and transport-model predictions, as well as to complementary measurements at Large-Hadron-Collider energies.

研究动机与目标

• 研究RHIC中质子-核碰撞下ψ(2S)粲偶素态的产生与修改。
• 通过前向和后向快度区域的测量，探究冷核物质对重夸克偶素态的影响。
• 比较p+Au和p+Al体系中ψ(2S)的抑制情况，以获得关于核部分子分布函数和末态相互作用的见解。
• 测试涉及部分子能量损失和遮蔽效应的夸克偶素抑制理论模型。
• 在ψ(2S)相比J/ψ具有更大尺寸和更低结合能的背景下，确定核修改的快度依赖性。

提出的方法

• 利用RHIC的PHENIX探测器，通过二μ衰变道测量ψ(2S)产额。
• 使用前向和后向硅顶点飞行器，在高快度和低快度区域重建μ子对。
• 应用运动学重建和顶点拟合技术，以高纯度识别ψ(2S) → μ⁺μ⁻衰变。
• 通过计算核修改因子 R_AA = (1/N_coll) × (dN_ψ/dy)_{p+A} / (dN_ψ/dy)_{p+p} 来量化抑制程度。
• 利用GEANT4和PYTHIA的蒙特卡罗模拟，对探测器接受度、效率和本底进行修正。
• 将结果与p+p参考数据及包含介质中解离和核PDF效应的理论模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√sNN = 200 GeV的p+Au和p+Al碰撞中，ψ(2S)的核修改因子R_AA如何随快度变化？
• RQ2 ψ(2S)在p+A碰撞中的抑制在多大程度上由冷核物质效应引起，而非初始态遮蔽或末态能量损失？
• RQ3 ψ(2S)的抑制在前向快度区域是否强于后向快度区域？这对其核介质的空间和动量依赖性有何启示？
• RQ4 观测到的ψ(2S) R_AA值与包含核部分子分布函数和介质中解离的模型预测相比如何？
• RQ5 p+Al中ψ(2S)的抑制模式是否与p+Au不同？这揭示了核尺寸和密度在其中的作用？

主要发现

• 与p+p相比，ψ(2S)的核修改因子R_AA在p+Au和p+Al碰撞中显著抑制，且在所有快度区域R_AA < 1。
• 在前向快度区域（y > 0）的抑制强于后向快度区域（y < 0），表明末态效应增强或前向方向部分子能量损失更强。
• p+Au中ψ(2S)的R_AA值与包含末态能量损失和介质中解离的模型一致，但抑制程度小于某些初始态遮蔽模型的预测。
• p+Al中的抑制模式与p+Au相似，表明效应并非主要由核大小决定，而是由局部部分子密度和能量损失主导。
• 观测到的抑制程度强于J/ψ，与ψ(2S)尺寸更大、结合能更低，因而对介质效应更敏感的特性一致。
• 数据不支持仅由初始态遮蔽解释抑制的模型，更支持核介质中末态相互作用的贡献。