[论文解读] Measurement of beauty-quark production in pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV via non-prompt D mesons

ALICE Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

High-Energy Particle Collisions Research被引用 1

一句话总结

本研究利用2016–2018年ALICE探测器在√s = 13 TeV的pp碰撞数据，测量了中 rapidity（|y| < 0.5）下由底强子衰变产生的非瞬发D⁰、D⁺和Dₛ⁺介子的横动量微分产生截面。关键结果为底夸克碎片化分数fs/(fu + fd) = 0.114 ± 0.016（统计）± 0.006（系统）± 0.003（分支比）± 0.003（外推），与不同碰撞体系和能量下碎片化函数的普遍性一致。

ABSTRACT

The $p_{ m T}$-differential production cross sections of non-prompt ${ m D^0}$, ${ m D^+}$, and ${ m D_s^+}$ mesons originating from beauty-hadron decays are measured in proton$-$proton collisions at a centre-of-mass energy $\sqrt{s}=13$ TeV. The measurements are performed at midrapidity, $|y| &lt; 0.5$, with the data sample collected by ALICE from 2016 to 2018. The results are in agreement with predictions from several perturbative QCD calculations. The fragmentation fraction of beauty quarks to strange mesons divided by the one to non-strange mesons, $f_{ m{s}}/(f_{ m{u}} + f_{ m{d}})$, is found to be $0.114 \pm 0.016~{ m (stat.)} \pm 0.006~{ m (syst.)} \pm 0.003~{ m (BR)} \pm 0.003~{ m (extrap.)}$. This value is compatible with previous measurements at lower centre-of-mass energies and in different collision systems in agreement with the assumption of universality of fragmentation functions. In addition, the dependence of the non-prompt D meson production on the centre-of-mass energy is investigated by comparing the results obtained at $\sqrt{s} = 5.02$ and 13 TeV, showing a hardening of the non-prompt D-meson $p_{ m T}$-differential production cross section at higher $\sqrt{s}$. Finally, the ${ m b\overline{b}}$ production cross section per unit of rapidity at midrapidity is calculated from the non-prompt ${ m D^0}$, ${ m D^+}$, ${ m D_s^+}$, and $Λ_{ m c}^+$ hadron measurements, obtaining ${ m d}σ/{ m d}y = 75.2\pm 3.2~(\mathrm{stat.}) \pm 5.2~(\mathrm{syst.})^{+12.3}_{-3.2} ~(\mathrm{extrap.}) ext{ } m μb \;.$

研究动机与目标

• 测量√s = 13 TeV下pp碰撞中非瞬发D⁰、D⁺和Dₛ⁺介子的pT微分产生截面。
• 通过测量中 rapidity 处的fs/(fu + fd)比值，检验底夸克碎片化函数的普遍性。
• 比较中心系能量为√s = 5.02 TeV和13 TeV时的非瞬发D介子产生，研究能量依赖性。
• 利用多种强子衰变道，测定中 rapidity 处单位快速度的总底夸克产生截面。

提出的方法

• 通过其衰变链重建非瞬发D介子，包括二级顶点重建和拓扑选择标准。
• 利用ALICE探测器的中央 barrel 跟踪与顶点重建能力，识别底强子衰变产生的位移顶点。
• 应用动量和拓扑选择性切割以抑制组合背景和瞬发D介子背景。
• 使用响应矩阵进行去卷积，校正pT中的探测器分辨率和效率效应。
• 使用PYTHIA8和EPOSLHC的蒙特卡罗模拟来建模信号和背景贡献。
• 采用贝叶斯去卷积方法，结合正则化迭代过程，提取pT微分截面。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV的pp碰撞中，非瞬发D⁰、D⁺和Dₛ⁺介子的pT微分产生截面是多少？
• RQ2 底夸克碎片化为奇异介子与非奇异介子的相对碎片化分数是否在不同碰撞体系和能量下保持普遍性？
• RQ3 从√s = 5.02 TeV到13 TeV，非瞬发D介子产生截面如何随中心系能量增加而演化？
• RQ4 结合D⁰、D⁺、Dₛ⁺和Λ⁺c强子的测量结果，中 rapidity 处单位快速度的总底夸克产生截面是多少？

主要发现

• 测得的底夸克碎片化分数（相对于奇异介子与非奇异介子之和）为fs/(fu + fd) = 0.114 ± 0.016（统计）± 0.006（系统）± 0.003（分支比）± 0.003（外推）。
• 该结果与低中心系能量下及不同碰撞体系中的先前测量一致，支持碎片化函数的普遍性。
• 非瞬发D介子的pT微分截面在更高√s下表现出硬化趋势，表明在高pT区域相比√s = 5.02 TeV时上升更陡峭。
• 中 rapidity 处单位快速度的总底夸克产生截面测量值为dσ/dy = 75.2 ± 3.2（统计）± 5.2（系统）+12.3⁄−3.2（外推）µb。
• 本测量超越了先前结果，通过提高D⁰的pT粒度并引入D⁺和Dₛ⁺介子的贡献，提升了精度。
• 结果与使用GM-VFNS和FONLL框架的NLO pQCD预测一致，验证了LHC能量下理论模型的有效性。