[论文解读] A study of charm quark correlations in ultra-relativistic $p$ + $p$ collisions with PYTHIA

S. S. Shi, X. Dong+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2015

High-Energy Particle Collisions Research被引用 6

一句话总结

本研究使用 PYTHIA 8.168 模拟了 √s = 200、500 和 5500 GeV 条件下 p+p 碰撞中的 D 介子与电子相关性，发现 D–e 相关性中的反向侧峰主要由底夸克贡献，而底夸克贡献在 LHC 能量下变得显著，降低了粲夸克相关性的纯度。结果表明，D–e 相关性在 RHIC 能量下可作为探测初始 c–c̄ 对相关性的有效工具，但在 LHC 能量下底夸克贡献限制了其适用性，因此 B–B̄ 相关性在更高能量下是更优的探测手段。

ABSTRACT

Measurements of heavy flavor quark (charm and bottom) correlations in heavy ion collisions are instrumental to understand the flavor dependence of energy loss mechanisms in hot and dense QCD media. Experimental measurements of these correlations in baseline $p$+$p$ collisions are crucial to understand the contributions of perturbative and non-perturbative QCD processes to the correlation functions and further help in interpreting correlation measurements in heavy ion collisions. In this paper, we investigate $D$-$\bar{D}$ meson correlations and $D$ with one particle from $D$ meson decay daughter correlations using PYTHIA Event Generator in $p$ + $p$ collisions at $\sqrt{s}$ = 200, 500 and 5500 GeV. Charm/bottom events are found to contribute mainly to the away side/near side pattern of $D$-electron correlations, respectively. In the energy region of RHIC, $D$-$\bar{D}$ correlations inherit initial $c$-$\bar{c}$ correlations and $B ightarrow DX$ decay contribution is insignificant. Furthermore, Bottom quark correlations are suggested to be applicable at LHC energy, as the bottom contributions on $D$ related correlations are relatively large.

研究动机与目标

• 理解微扰与非微扰 QCD 过程对 p+p 碰撞中粲夸克相关性的贡献，为重离子物理研究提供基线参考。
• 评估利用 D–e 和 D–强子相关性探测超相对论性 p+p 碰撞中初始 c–c̄ 对相关性的可行性。
• 评估高阶 pQCD 和底夸克衰变对碰撞能量增加时相关函数的影响。
• 确定 D–D̄ 和 D–电子相关性模式中粲与底夸克贡献的能量依赖性。
• 通过识别不同能量下的最优可观测量，指导 p+p 和重离子碰撞中重夸克相关性的实验测量。

提出的方法

• 使用调整后的 αs 和 pTHatMin 参数，将 PYTHIA 8.168 事件生成器调制至匹配 √s = 200、500 和 7000 GeV 条件下实验测量的 D⁰ 和 D* 产生截面。
• 在 √s = 200、500 和 5500 GeV 条件下进行模拟，5500 GeV 设置基于 7000 GeV 的调制参数，因缺乏直接数据。
• 计算了 D–D̄、D–K、D–e（非光子电子）和 e–D 对的相关函数，并分析了方位角分布（Δφ）。
• 通过运动学截断和蒙特卡罗技术分离衰变贡献，以区分粲夸克与底夸克的起源。
• 计算了直接 D–D̄ 对与总 D–D̄ 对的比值，以量化不同 pT 阈值下底夸克的贡献。
• 对 RHIC 与 LHC 能量下的结果进行比较，评估相关性模式与背景贡献的能量依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 RHIC 和 LHC 能量下，初始 c–c̄ 相关性在 p+p 碰撞中如何体现在 D–D̄ 和 D–电子相关函数中？
• RQ2 高阶 pQCD 过程与非微扰强子化如何展宽初始的背对背粲夸克相关性？
• RQ3 在碰撞能量增加时，底夸克衰变（B → D）如何影响 D–电子与 D–D̄ 相关函数的解释？
• RQ4 在 LHC 能量下，D–电子相关性在反向侧区域是否能可靠地分离出粲夸克相关性？
• RQ5 在不同 pT 阈值与质心系能量下，底夸克衰变对 D–D̄ 对的相对贡献是多少？

主要发现

• 在 RHIC 能量（√s = 200 GeV）下，D–D̄ 相关性继承了初始 c–c̄ 背对背模式，且在 pT < 3 GeV/c 条件下，底夸克对 D–D̄ 对的贡献小于 4%。
• 在 LHC 能量（√s = 5500 GeV）下，D–D̄ 相关性的近侧峰幅度与反向侧峰相当，表明高阶 pQCD 和底夸克贡献导致显著展宽。
• 对于 D–非光子电子相关性，粲事件主导反向侧模式，而底事件主导近侧模式，尤其在较高 pT 截断下更为显著。
• 在 √s = 5500 GeV 条件下，pT 截断为 6 GeV/c 时，来自底衰变的 D–D̄ 对比例可达约 15%，而在 √s = 200 GeV 时低于 5%。
• 由于高阶 pQCD 和底夸克贡献的显著展宽，D–e 相关函数在 √s = 5500 GeV 时趋于平坦，降低了对初始 c–c̄ 相关性的敏感性。
• 发现底夸克相关性（尤其是 B–B̄）在 LHC 能量下比粲夸克相关性更适合实验研究，因其具有更大的产生截面和更清晰的信号模式。