[论文解读] Measurement of associated $J/ψ$-$ψ(2S)$ production cross-section in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV

LHCb Collaboration, A. S. W. Abdelmotteleb+1106 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 57被引用 2

一句话总结

本论文利用LHCb实验在√s = 13 TeV下的4.2 fb⁻¹数据，首次测量了pp碰撞中J/ψ-ψ(2S)粒子对的联合产生。测得的截面为4.5 ± 0.7(统计) ± 0.3(系统) nb，同时测量了微分截面及与J/ψ-J/ψ产生的截面比为0.274 ± 0.044(统计) ± 0.008(系统)，为检验量子色动力学中单部分子散射与双部分子散射机制提供了关键约束。

ABSTRACT

The cross-section of associated $J/ψ$-$ψ(2S)$ production in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s}=13$ TeV is measured using a data sample corresponding to an integrated luminosity of 4.2 fb$^{-1}$, collected by the LHCb experiment. The measurement is performed for both $J/ψ$ and $ψ(2S)$ mesons having transverse momentum $p_{ ext{T}}<14$ GeV/$c$ and rapidity $2.0

研究动机与目标

• 测量在√s = 13 TeV下pp碰撞中J/ψ与ψ(2S)粲偶素态的关联产生截面。
• 研究在夸克偶素对产生过程中单部分子散射(SPS)与双部分子散射(DPS)的相对贡献。
• 提供作为快速度差∆y、∆ϕ、横动量pT、快速度y及不变质量mJ/ψ-ψ(2S)函数的微分截面，以改进理论建模。
• 测定J/ψ-ψ(2S)与J/ψ-J/ψ产生截面的比值，以检验非微扰QCD动力学。

提出的方法

• 利用LHCb实验在√s = 13 TeV下收集的4.2 fb⁻¹ pp碰撞数据。
• 通过横动量(pT < 14 GeV/c)与快速度(2.0 < y < 4.5)的选择条件，重建J/ψ → μ⁺μ⁻与ψ(2S) → J/ψ → μ⁺μ⁻衰变。
• 应用运动学拟合与顶点重建技术识别J/ψ-ψ(2S)候选事例，并抑制组合背景。
• 测量作为∆y、∆ϕ、pT、y及不变质量mJ/ψ-ψ(2S)函数的微分截面，同时给出统计与系统误差。
• 将J/ψ-ψ(2S)结果与LHCb先前对J/ψ-J/ψ产生的测量结果结合，计算截面比。
• 假设J/ψ与ψ(2S)介子的极化可忽略，与先前LHC测量结果一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV下pp碰撞中，J/ψ-ψ(2S)关联产生的总截面是多少？
• RQ2 J/ψ-ψ(2S)产生的微分截面如何随快速度差(∆y)与方位角差(∆ϕ)等动量变量变化？
• RQ3 J/ψ-ψ(2S)产生截面与J/ψ-J/ψ产生截面的比值是多少？该比值如何随动量变量变化？
• RQ4 所测得的截面比是否有助于区分夸克偶素对产生中的单部分子散射(SPS)与双部分子散射(DPS)机制？

主要发现

• J/ψ-ψ(2S)对的总产生截面测得为4.5 ± 0.7(统计) ± 0.3(系统) nb。
• 作为∆y、∆ϕ、pT、y及mJ/ψ-ψ(2S)函数的微分截面已测量，详细分箱与不确定性见表2至表6。
• J/ψ-ψ(2S)与J/ψ-J/ψ产生截面的比值为0.274 ± 0.044(统计) ± 0.008(系统)，在不同动量区间内观察到变化。
• 在∆y = 1.0–1.4区间，该比值达到0.49 ± 0.13(统计) ± 0.03(系统)，表明中等快速度差下产生增强。
• 在∆ϕ = 0.0–0.2区间，截面比为0.36 ± 0.13(统计) ± 0.02(系统)，显示出对角相关性的敏感性。
• 测得的截面比与DPS主导的预期一致，其中SPS中ψ(2S)的级联衰变贡献更高，为散射机制提供了关键检验。