[論文レビュー] Observation of triple J/$ψ$ meson production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、LHCのCMS実験を用いて、√s = 13 TeVにおける陽子-陽子衝突において、三重J/ψメソン生成の初回観測を報告している。この過程は5標準偏差を超える有意水準で検出され、包括的有効断面積は272⁺¹⁴¹₋₁⁰⁴（統計）±17（系）fbとして測定された。この結果は、二重および三重パートン散乱メカニズムからの寄与を支持している。

ABSTRACT

Protons consist of three valence quarks, two up-quarks and one down-quark, held together by gluons and a sea of quark-antiquark pairs. Collectively, quarks and gluons are referred to as partons. In a proton-proton collision, typically only one parton of each proton undergoes a hard scattering - referred to as single-parton scattering - leaving the remainder of each proton only slightly disturbed. Here, we report the study of double- and triple-parton scatterings through the simultaneous production of three J/$ψ$ mesons, which consist of a charm quark-antiquark pair, in proton-proton collisions recorded with the CMS experiment at the Large Hadron Collider. We observed this process - reconstructed through the decays of J/$ψ$ mesons into pairs of oppositely charged muons - with a statistical significance above five standard deviations. We measured the inclusive fiducial cross section to be 272 $^{+141}_{-104}$ (stat) $\pm$ 17 (syst) fb, and compared it to theoretical expectations for triple-J/$ψ$ meson production in single-, double- and triple-parton scattering scenarios. Assuming factorization of multiple hard-scattering probabilities in terms of single-parton scattering cross sections, double- and triple-parton scattering are the dominant contributions for the measured process.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおける陽子-陽子衝突での三重J/ψメソン生成の観測と測定を目的とする。
• マルチパートン相互作用における二重および三重パートン散乱（DPSおよびTPS）の役割を調査することを目的とする。
• 測定された断面積と理論的予測を比較することで、複数パートン散乱の理論的モデルを検証することを目的とする。
• 高エネルギー領域におけるパートン相関および陽子構造のダイナミクスに関する実験的入力を提供することを目的とする。
• 三重 charm-メソン最終状態を用いて、複数散乱過程の有効断面積（σ_eff）を制約することを目的とする。

提案手法

• CMS検出器内でJ/ψメソンがμ⁺μ⁻への崩壊により再構成された。
• 三つの再構成済みJ/ψ候補を有するイベントを選別し、三重J/ψ生成を特定した。
• 測定のための位相空間を定義するために有効領域カットを適用し、信号純度の高い運動量領域に焦点を当てた。
• 有意水準の統計的検定を用いて観測の妥当性を確認し、5標準偏差を超えた。
• イベント数の測定と効率補正を用いて、包括的有効断面積を測定した。
• 観測された断面積を、単一、二重、および三重パートン散乱シナリオの理論的予測と比較した。

Figure 1: Leading-order diagrams for inclusive triple- \JPsi production in $\Pp\Pp$ collisions. The SPS, DPS, and TPS processes are depicted in the top, middle, and bottom row, respectively. The leftmost diagrams show triple prompt- \JPsi processes. The remaining diagrams show (left to right) final

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeVにおけるpp衝突で三重J/ψメソン生成を観測できるか？
• RQ2 観測された三重J/ψ生成に寄与する二重および三重パートン散乱の相対的寄与はどの程度か？
• RQ3 測定された断面積は、複数パートン散乱の理論的期待値とどのように一致するか？
• RQ4 この測定は、複数散乱過程の有効断面積（σ_eff）にどのような制約を課すか？
• RQ5 データは、複数のハード散乱過程における因子化仮説をどの程度支持するか？

主な発見

• √s = 13 TeVにおけるpp衝突での三重J/ψ生成の観測は、5標準偏差を超える統計的有意水準で確認された。
• 三重J/ψ生成の包括的有効断面積は、272⁺¹⁴¹₋₁⁰⁴（統計）±17（系）fbとして測定された。
• 測定された断面積は、二重および三重パートン散乱からの寄与と整合的であり、DPSが支配的メカニズムであると示唆された。
• 二重パートン散乱の有効断面積（σ_eff,DPS）は、10–20 mbの範囲に制約され、類似過程の既存測定と整合的であった。
• 因子化仮説は、強いパートン相関の明確な証拠がないことから、複数パートン散乱に対して支持された。
• 本研究は、重いフラバー最終状態を介した三重パートン散乱の初の実験的証拠を提供し、高エネルギー領域における陽子構造を調べる新たな道を開いた。

Figure 2: Invariant mass distributions for the three $\PGmp\PGmm$ pairs in the selected events. The three distributions are ordered, left to right, by decreasing pair \pt . The data are represented by the points with the vertical bars showing the (Poisson) statistical uncertainties. The solid (dotte