[论文解读] Charm and beauty production at LHC

N. Carrer, A. Dainese|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 9被引用 10

一句话总结

本文针对LHC能量下粲夸克与底夸克产生截面及运动学分布进行了近领先阶（NLO）pQCD计算，并外推至pp、p–Pb和Pb–Pb碰撞。该研究为ALICE探测器性能建立了基准预测，通过调整PYTHIA事件生成器以重现NLO结果，报告了不同碰撞体系和快度区域中D与B介子的横动量分布与产额，关键参数如$p_{\rm t}^0$和$\langle p_{\rm t}\rangle$已量化，用于实验规划。

ABSTRACT

This note will be part of Chapter 6.5 of the ALICE Physics Performance Report (PPR), "ALICE Physics: Charm and Beauty", where the capabilities of ALICE for the detection of open heavy flavour particles will be described. We define here the present ALICE baseline for what concerns the heavy flavour production cross sections at LHC and the kinematical distributions of the heavy quark pairs. We start by qualitatively assessing the Bjorken x regimes accessible with charm and beauty measurements at LHC with ALICE (Section 1). In Section 2 we report the most recent results (and the uncertainties) of the next-to-leading order (NLO) pQCD calculations for the cross sections in pp collisions at LHC energies. These results are extrapolated to Pb-Pb collisions in Section 3.1 and to p-Pb collisions in Section 3.2, taking into account nuclear shadowing and parton intrinsic transverse momentum broadening.Heavy quark kinematics as given by the NLO pQCD calculation are reported in Section 4. We tuned the PYTHIA event generator in order to reproduce such results for what concerns the c and b quarks transverse momentum distributions (Section 5). Finally, we report the yields and transverse momentum distributions for D and B mesons (Section 6).

研究动机与目标

• 在ALICE物理性能框架内，建立LHC能量下重夸克产生截面及运动学分布的基准预测。
• 量化在pp、p–Pb和Pb–Pb碰撞中，粲与底夸克可探测的Bjorken-$x$区域，强调低-$x$动力学行为。
• 将NLO pQCD的重夸克对产生结果外推至核碰撞，考虑核效应如阴影效应和部分子本征横动量展宽。
• 调整PYTHIA事件生成器以重现NLO pQCD对粲与底夸克横动量分布的模拟，实现真实的蒙特卡洛模拟。
• 为ALICE探测器性能评估，提供不同碰撞体系与快度区域中D与B介子产额及$p_{\rm t}$分布的定量估计。

提出的方法

• 采用近领先阶（NLO）pQCD计算，本文计算了在$\sqrt{s} = 14$ TeV下pp碰撞中$c\overline{c}$与$b\overline{b}$对的包含截面。
• 通过关系式$x_{1,2} = \frac{M_{Q\overline{Q}}}{\sqrt{s_{\rm NN}}} \exp{\pm y_{Q\overline{Q}}}$推导粲与底夸克产生的$x$-依赖性，从而估算不同碰撞体系中所探测的Bjorken-$x$区域。
• 通过引入核效应（核阴影效应与部分子本征横动量展宽）将NLO结果外推至Pb–Pb与p–Pb碰撞，参数取自现有参数化。
• 通过调整$p_{\rm t}^{\rm hard}$截止值与本征$k_{\rm t}$参数，将PYTHIA 6.150事件生成器调制以匹配NLO pQCD对粲与底夸克横动量分布的模拟。
• D与B介子的横动量分布通过函数形式$\frac{1}{p_{\rm t}} \frac{{\rm d}N}{{\rm d}p_{\rm t}} \propto \left[1 + \left(\frac{p_{\rm t}}{p_{\rm t}^0}\right)^2\right]^{-n}$拟合，参数由模拟结果提取。
• 分别在$\sqrt{s_{\rm NN}} = 14$、8.8和5.5 TeV下，计算pp、p–Pb与Pb–Pb碰撞中D与B介子的产额及平均$p_{\rm t}$值，覆盖中心区域（$|y|<1$）与前向区域（$2.5<y<4$）快度窗口。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC的pp、p–Pb与Pb–Pb碰撞中，粲与底夸克产生所探测的Bjorken-$x$值范围是什么？
• RQ2 在$\sqrt{s} = 14$ TeV下，pp碰撞中$c\overline{c}$与$b\overline{b}$产生截面的NLO pQCD计算结果与实验预期相比如何？
• RQ3 在p–Pb与Pb–Pb碰撞中，与pp碰撞相比，阴影效应与部分子本征横动量展宽等核效应如何改变重夸克产生？
• RQ4 在不同碰撞体系与快度窗口中，D与B介子的预测横动量分布与平均$p_{\rm t}$值是什么？
• RQ5 为在不同LHC碰撞体系中重现NLO pQCD对粲与底夸克的模拟，需要哪些PYTHIA调制参数（如$p_{\rm t}^{\rm hard}$、$k_{\rm t}$）？

主要发现

• 在快度中心区域，LHC中粲夸克产生探测到的$x \sim 2 \times 10^{-4}$，比RHIC低两个数量级，比SPS低三个数量级。
• 在阈值处，LHC中底夸克产生探测到的$x \sim 2 \times 10^{-4}$，随着$M_{Q\overline{Q}}$增大，$x$值进一步降低。
• 在$\sqrt{s} = 14$ TeV下pp碰撞中，$|y|<1$区域D介子的平均横动量$\langle p_{\rm t}\rangle$约为1.85 GeV/$c$，在8.8 TeV p–Pb碰撞中为1.83 GeV/$c$。
• 在$\sqrt{s} = 14$ TeV下pp碰撞中，$|y|<1$区域B介子的平均$p_{\rm t}$为4.90 GeV/$c$，在5.5 TeV Pb–Pb碰撞中为4.89 GeV/$c$。
• 在14 TeV pp碰撞中，D介子的$p_{\rm t}$分布最佳拟合参数为$p_{\rm t}^0 = 2.04$ GeV/$c$与$n = 2.65$；B介子的参数为$p_{\rm t}^0 = 6.04$ GeV/$c$与$n = 2.88$。
• D与B介子的平均$p_{\rm t}$在中间快度区（$|y|<1$）比前向区域（$2.5<y<4$）高约10%，反映出探测器接受度的差异。