[論文レビュー] Measurement of the cross-section ratio $\sigma_{\psi(2S )}/\sigma_{J/\psi(1S )}$ in exclusive photoproduction at HERA

ZEUS Collaboration, Abt, I.+81 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、HERAで373 pb⁻¹のデータを用いて、30 < W < 180 GeV、Q² < 1 GeV²、|t| < 1 GeV²の運動的範囲をカバーする、排他的光生成においてR = σψ(2S)/σJ/ψ(1S)の断面積比を測定した。比はWの関数として一定値と整合しており、|t|の増加に伴い緩やかに増加し、Q²が小さい領域に向かって減少することが判明し、以前の傾向を確認するとともに、ベクトルメソン生成のQCDに由来するモデルに対する制約を与えた。

ABSTRACT

The exclusive photoproduction reactions $γp o J/ψ(1S) p$ and $γp o ψ(2S) p$ have been measured at an $ep$ centre-of-mass energy of 318 GeV with the ZEUS detector at HERA using an integrated luminosity of 373 pb$^{-1}$. The measurement was made in the kinematic range $30 &lt; W &lt; 180$ GeV, $Q^2 &lt; 1$ GeV$^2$ and $|t| &lt; 1$ GeV$^2$, where $W$ is the photon--proton centre-of-mass energy, $Q^2$ is the photon virtuality and $t$ is the squared four-momentum transfer at the proton vertex. The decay channels used were $J/ψ(1S) o μ^+ μ^-$, $ψ(2S) o μ^+ μ^-$ and $ψ(2S) o J/ψ(1S) π^+ π^-$ with subsequent decay $J/ψ(1S) o μ^+ μ^-$. The ratio of the production cross sections, $R = σ_{ψ(2S)} / σ_{J/ψ(1S)}$, has been measured as a function of $W$ and $|t|$ and compared to previous data in photoproduction and deep inelastic scattering and with predictions of QCD-inspired models of exclusive vector-meson production, which are in reasonable agreement with the data.

研究の動機と目的

• HERAにおけるep衝突で、ψ(2S)およびJ/ψ(1S)メソンの排他的光生成断面積比を測定すること。
• 比R = σψ(2S)/σJ/ψ(1S)がW（光子-陽子中心系エネルギー）、|t|（4運動量移行）、Q²（光子の仮想性）にどのように依存するかを調査すること。
• ZEUS実験から得られた高精度なデータを用いて、排他的ベクトルメソン生成のQCDに由来するモデルを検証すること。
• 運動的変数にわたるデータと予測の比較を通じて、理論的モデルに対する新たな制約を提供すること。

提案手法

• 排他的光生成イベントは、HERAのZEUS検出器を用いて再構成され、√s = 318 GeVのep衝突を対象とした。
• 崩壊チャネルは：J/ψ(1S) → μ⁺μ⁻、ψ(2S) → μ⁺μ⁻、およびψ(2S) → J/ψ(1S)π⁺π⁻（その後にJ/ψ(1S) → μ⁺μ⁻）である。
• Q² < 1 GeV²、30 < W < 180 GeV、|t| < 1 GeV²の運動的選択を用いて、断面積比RをW、|t|、Q²の関数として抽出した。
• データは、BCC（ホットスポット）、JN（スケイニングを含む色ドロイド）、LM（BFKL/IP-Satにブーストされたガウス波動関数を組み込んだ）の3つのQCDに由来するモデルの予測と比較した。
• 系統的不確かさは、コントロールサンプルおよび検出器応答のシミュレーションを用いて評価した。
• 解析には373 pb⁻¹の統合放射能を用い、イベント選択はミューオン識別および頂点再構成に基づいた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 排他的光生成において、比R = σψ(2S)/σJ/ψ(1S)は、光子-陽子中心系エネルギーWにどのように依存するか？
• RQ2 陽子頂点における4運動量移行|t|に伴い、断面積比Rはどのように依存するか？
• RQ3 Q²が0に近づくに従って、Rはどのように変化するか、特にQ² → 0の領域でどうなるか？
• RQ4 QCDに由来するモデルは、測定されたRのW、|t|、Q²依存性をどの程度正確に記述できるか？
• RQ5 データは、ψ(2S)およびJ/ψ(1S)生成におけるモデル予測の理論的不確実性をどの程度制約できるか？

主な発見

• 比R = σψ(2S)/σJ/ψ(1S)は、30 < W < 180 GeVの範囲でWの関数として一定値と整合している。
• |t|の増加に伴い、緩やかで穏やかな増加が観測され、モデルの予測と整合している。
• Q²が小さい領域に向かってRが減少する傾向が確認され、Q²が0 GeV²に近づくに従いRが減少する。
• BCCモデルはデータよりも高いR値を予測するが、LMモデルは低い値を予測し、JNモデルが最も良好な正規化一致を示す。
• BCC、JN、LMの3つのモデルとも、Wおよび|t|依存性を合理的に再現しており、勾配は類似しているが、絶対値の正規化は最大で2倍の差異を示す。
• 光生成とDISのデータを統合すると、RはQ²の増加に伴い強く増加することが明らかとなり、モデルの予測と整合的である。また、光生成データは低Q²領域におけるモデルの振る舞いを制約するのに寄与している。