[论文解读] Fixed-target physics at LHCb

E. Maurice|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

本论文首次通过LHCb的固定靶模式及SMOG气体靶，直接测量了6.5 TeV质子-氦碰撞中的反质子产生，以及质子-氩碰撞中开放底夸克和隐藏底夸克态的产生。结果解决了宇宙射线次级反质子通量预测中的长期不确定性，并证明了在LHC上以固定靶模式开展重味物理研究的可行性。

ABSTRACT

The LHCb experiment has the unique possibility, among the LHC experiments, to be operated in fixed target mode, using its internal gas target SMOG. The energy scale achievable at the LHC and the excellent detector capabilities for vertexing, tracking and particle identification allow a wealth of measurements of great interest for cosmic ray and heavy ions physics. We report the first measurements made in this configuration: the measurement of antiproton production in proton-helium collisions and the measurements of open and hidden charm production in proton-argon collisions at $\sqrt{s_ extrm{NN}} =$ 110 GeV.

研究动机与目标

• 测量√sNN = 110 GeV下6.5 TeV质子-氦碰撞中的反质子产生截面，以减少宇宙射线反质子通量预测中的不确定性。
• 研究质子-氩碰撞中开放底夸克和隐藏底夸克态（D⁰与J/ψ）的产生，以增进对重夸克产生机制的理解。
• 通过使用内部SMOG气体靶验证LHCb固定靶运行的可行性，为未来重味物理研究提供支持。
• 为星际介质中次级反质子产生过程的天体物理模型提供精确、基于数据的输入。
• 通过用10–100 GeV能量区间内的直接测量替代外推数据，减少反质子通量建模中的系统性不确定性。

提出的方法

• 利用LHCb的SMOG系统将氩气和氦气注入LHC束流管道，实现6.5 TeV质子与气体靶的固定靶碰撞。
• 在专用的非质子-质子填充期间进行数据获取，采用最小bias触发，选择LHCb探测器接受度内（2 < η < 5）的反质子候选事例。
• 采用二维分箱扩展最大似然拟合方法，通过比较粒子假设（质子、π介子、K介子）在动量与横动量分箱中的对数似然差值，提取反质子分数。
• 使用全模拟事例对探测器效应进行修正，并利用$pp$数据和专用校准样本对重建效率与PID效率进行标定。
• 以弹性电子-质子散射作为归一化参考，其已知截面为180.6 μb，用于校准亮度。
• 计算D⁰与J/ψ介子的微分产额，作为横动量$p_T$和快度$y$的函数，同时对效率、接受度与背景进行修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√sNN = 110 GeV下，6.5 TeV质子-氦碰撞中反质子的产生截面是多少？
• RQ2 在质子-氩碰撞中，D⁰与J/ψ介子的横动量与快度分布如何比较？
• RQ3 J/ψ/D⁰产额比随$p_T$与快度的变化程度如何？这对产生机制有何启示？
• RQ4 LHCb固定靶重味测量中的主要系统性不确定性来源是什么？
• RQ5 基于SMOG的LHCb固定靶模式能否提供精确的直接测量，以减少宇宙射线反质子通量模型的不确定性？

主要发现

• 首次实现了6.5 TeV质子-氦碰撞中反质子产生的直接测量，覆盖12 < $p$ < 110 GeV/$c$与0.4 < $p_T$ < 4 GeV/$c$，亮度为0.4 nb⁻¹。
• 残余非本征背景估计为(2.6 ± 0.6)%，主要来自超子衰变；残余真空气体贡献为(0.7 ± 0.2)%。
• 测量了D⁰微分产额随$p_T$与$y$的变化，经修正后的产额与Pythia预测在不确定度范围内一致。
• 测量了J/ψ与D⁰的微分产额，J/̄ψ产额形状与基于HERA-B数据的唯象参数化结果一致。
• J/ψ/D⁰产额比在不确定度范围内对$p_T$与快度无显著依赖，表明其在横动量与快度谱中具有相似的产生动力学。
• 来自$b$-强子的信号分数估计为(0.9 ± 1.6)%，确认了本征产生占主导地位。