[论文解读] Charm-quark fragmentation fractions and production cross section at midrapidity in pp collisions at the LHC

Afd Subatomic Physics (SAP), S. Acharya+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 70被引用 77

一句话总结

本论文首次利用ALICE探测器在√s = 5.02 TeV的pp碰撞数据中测量了粲夸克的碎片化分支比以及中 rapidity（|y| < 0.5）区域的粲产生截面。研究报告了在pp碰撞中Λ⁺c的碎片化分支比相比e⁺e⁻碰撞提高了3.3倍，显著性达5σ，挑战了不同碰撞体系间碎片化函数的普遍性。

ABSTRACT

Recent pT-integrated cross-section measurements of the ground-state charm mesons and baryons, D0, D+, Ds+, Λc+, and Ξc0, are used to evaluate the charm fragmentation fractions and production cross section per unit of rapidity at midrapidity (|y|&lt;0.5), in pp collisions at √s=5.02 TeV at the LHC. The latter is dσcc¯/dy||y|&lt;0.5=1165±44(stat)-101+134(syst) μb. These measurements were obtained for the first time in hadronic collisions at the LHC, including the charm baryon states, recently measured by ALICE at midrapidity. The charm fragmentation fractions differ significantly from the values measured in e+e- and ep collisions, providing evidence of the dependence of the parton-to-hadron fragmentation fractions on the collision system, indicating that the assumption of their universality is not supported by the measured cross sections. An increase of a factor of about 3.3 for the fragmentation fraction for the Λc+ with a significance of 5σ between the values obtained in pp collisions and those obtained in e+e- (ep) collisions is reported. The fragmentation fraction for the Ξc0 was obtained for the first time in any collision system. The measured fragmentation fractions were used to update the cc¯ cross sections per unit of rapidity at |y|&lt;0.5 at √s=2.76 and 7 TeV, which are about 40% higher than the previously published results. The data were compared with perturbative-QCD calculations and lie at the upper edge of the theoretical bands.

研究动机与目标

• 测量在√s = 5.02 TeV的pp碰撞中，中rapidity（|y| < 0.5）区域的粲夸克碎片化分支比及单位快速度截面。
• 检验不同碰撞体系（pp与e⁺e⁻、ep）之间粲夸克碎片化函数的普遍性。
• 利用关于粲重子的新数据，更新√s = 2.76和7 TeV下的cc产生截面。
• 约束微扰QCD计算，并改进重离子碰撞中粲强子产生的建模。
• 通过提供精确的基准截面，支持对夸克-胶子等离子体中Υ再生现象的研究。

提出的方法

• 利用2017年LHC运行期间收集的19.3 ± 0.4 nb⁻¹积分亮度的最小迹触发数据，通过重建ALICE探测器中pp碰撞的衰变道，测量D⁰、D⁺、Dₛ⁺、Λ⁺c和Ξ₀c重子的pT积分截面。
• 应用了追踪效率、粒子识别、重建效率以及pT外推的修正，以重建完整的截面。
• 传播了包括亮度、分支比和底强子衰变贡献在内的系统不确定度。
• 通过将各强子截面与D⁰截面的比值计算碎片化分支比，并考虑相关不确定度。
• 将结果与微扰QCD计算（如FONLL、PYTHIA 8）和统计模型（SHM）进行比较，以评估理论一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 粲夸克碎片化分支比在pp、e⁺e⁻和ep等不同碰撞体系中是否具有普遍性？
• RQ2 在√s = 5.02 TeV的pp碰撞中，中rapidity（|y| < 0.5）区域的粲夸克单位快速度截面是多少？
• RQ3 粲重子（Λ⁺c和Ξ₀c）的碎片化分支比与e⁺e⁻碰撞中的测量结果相比如何？
• RQ4 当前的微扰QCD计算在包含粲重子的情况下，对测量截面的描述程度如何？
• RQ5 这些新测量对之前公布的√s = 2.76和7 TeV下的cc截面有何影响？

主要发现

• 在√s = 5.02 TeV的pp碰撞中，中rapidity（|y| < 0.5）区域的粲产生截面为dσcc/dy||y|<0.5 = 1165 ± 44（统计）+134⁄−101（系统）µb。
• pp碰撞中Λ⁺c的碎片化分支比约为e⁺e⁻或ep碰撞中的3.3倍，显著性达5σ。
• 这是首次在任何碰撞体系中测量Ξ₀c的碎片化分支比，结果为0.022 ± 0.005（统计）± 0.004（系统）。
• 测量的粲重子截面使√s = 2.76和7 TeV下的更新cc截面相比以往结果提高了40%。
• 数据位于理论微扰QCD带的上缘，表明当前计算可能低估了截面。
• 结果挑战了碎片化函数普遍性的假设，表明其强烈依赖于碰撞体系。