[논문 리뷰] Study of exclusive photoproduction of charmonium in ultra-peripheral lead-lead collisions

LHCb collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Atomic and Molecular Physics인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 2018년 LHCb 실험에서 확보한 228 ± 10 µb⁻¹의 통합 루미노시티를 바탕으로, √sNN = 5.02 TeV에서의 초고에너지 PbPb 충돌에서 일관된 광생성 J/ψ 및 ψ(2S) 채르모니움 상태의 가장 정밀한 측정을 제시한다. 통합 단면적은 σcoh_J/ψ = 5.965 ± 0.059 ± 0.232 ± 0.262 mb 및 σcoh_ψ(2S) = 0.923 ± 0.086 ± 0.028 ± 0.040 mb로 보고되었으며, 단면적 비율 σcoh_ψ(2S)/σcoh_J/ψ = 0.155 ± 0.014 ± 0.003은 이론 예측과 일치한다.

ABSTRACT

The cross-sections of exclusive (coherent) photoproduction $J/ψ$ and $ψ(\mathrm{2S})$ mesons in ultra-peripheral PbPb collisions at a nucleon-nucleon centre-of-mass energy of $5.02\,\mathrm{TeV}$ are measured using a data sample corresponding to an integrated luminosity of $228\pm10\,\mathrm{μb}^{-1}$, collected by the LHCb experiment in 2018. The differential cross-sections are measured separately as a function of transverse momentum and rapidity in the nucleus-nucleus centre-of-mass frame for $J/ψ$ and $ψ(\mathrm{2S})$ mesons. The integrated cross-sections are measured to be \mbox{$σ^\mathrm{coh}_{J/ψ} = 5.965 \pm 0.059 \pm 0.232 \pm 0.262\,\mathrm{mb}$} and \mbox{$σ^\mathrm{coh}_{ψ(\mathrm{2S})} = 0.923 \pm 0.086 \pm 0.028 \pm 0.040\,\mathrm{mb}$}, where the first listed uncertainty is statistical, the second systematic and the third due to the luminosity determination. The cross-section ratio is measured to be \mbox{$σ^\mathrm{coh}_{ψ(\mathrm{2S})}/σ^\mathrm{coh}_{J/ψ} = 0.155 \pm 0.014 \pm 0.003$}, where the first uncertainty is statistical and the second is systematic. These results are compatible with theoretical predictions.

연구 동기 및 목표

• √sNN = 5.02 TeV에서 초고에너지 PbPb 충돌에서 J/ψ 및 ψ(2S) 메손의 배제적 광생성에 대한 미분 및 통합 단면적을 측정하기 위해.
• 일관된 채르모니움 생성를 통해 작은 운동량 분수(x ≈ m/√sNN e±y)에서 핵의 글루온 분포 함수 및 샤로잉 효과를 탐구하기 위해.
• 파동함수 선택 및 인과 스케일의 이론 모델을 제약하기 위해 ψ(2S)/J/ψ 단면적 비율의 고정밀 측정을 제공하기 위해.
• PbPb 충돌에서 처음으로 전방 영역(2.0 < y* < 4.5)에서 일관된 채르모니움 생성 측정을 확장하기 위해.

제안 방법

• 2018년 LHCb 실험에서 확보된 데이터는 통합 루미노시티 228 ± 10 µb⁻¹에 해당한다.
• 신호 이벤트는 J/ψ 및 ψ(2S) 메손의 이무온 붕괴 채널(μ⁺μ⁻)을 통해 재구성되었다.
• 운동량 재구성 및 선택은 LHCb 검출기의 트래킹, 뮤온 식별 및 전방 칼로리메터 시스템을 사용하여 수행되었다.
• 배경 억제는 정점 재구성, 불변 질량 선택 및 영향 거리 컷을 통해 달성되었다.
• 검출기 효과는 초고에너지 충돌를 위한 STARlight 이벤트 생성기 기반의 세밀한 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 보정되었다.
• 체계적 불확실성은 선택 기준의 변형, 검출기 응답 모델링 및 루미노시티 결정의 변화를 통해 평가되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √sNN = 5.02 TeV에서 초고에너지 PbPb 충돌에서 일관된 J/ψ 및 ψ(2S) 광생성에 대한 미분 및 통합 단면적은 무엇인가요?
• RQ2 ψ(2S)와 J/ψ의 일관된 단면적 비율은 빠르기(y*)에 따라 어떻게 변화하며, 이는 이론 예측과 일치합니까?
• RQ3 측정된 단면적은 작은 x에서 핵의 샤로잉 효과 및 글루온 분포 함수 모델을 얼마나 잘 제약합니까?
• RQ4 PbPb UPC에서 전방 영역에서의 ψ(2S) 생성 측정은 어떤 의미를 갖습니까?

주요 결과

• J/ψ 생성에 대한 통합 일관된 단면적은 σcoh_J/ψ = 5.965 ± 0.059 (통계) ± 0.232 (체계적) ± 0.262 (루미노시티) mb로 측정되었다.
• ψ(2S) 생성에 대한 통합 일관된 단면적은 σcoh_ψ(2S) = 0.923 ± 0.086 (통계) ± 0.028 (체계적) ± 0.040 (루미노시티) mb로 측정되었다.
• 단면적 비율 σcoh_ψ(2S)/σcoh_J/ψ는 0.155 ± 0.014 (통계) ± 0.003 (체계적)으로 측정되었으며, 루미노시티 불확실성은 비율에서 상쇄되었다.
• 2.0 < y* < 4.5 범위에서 J/ψ 및 ψ(2S)에 대해 빠르기(y*) 및 횡방향 운동량(p*T)에 따른 미분 단면적이 보고되었다.
• ψ(2S) 측정은 PbPb 충돌에서 전방 영역에서의 일관된 광생성의 첫 관측을 나타낸다.
• 모든 결과는 두극자 모델 및 양자 양극성 이론 계산에 기반한 이론 예측과 일치한다.