[论文解读] Measurement of the cross-section ratio $\sigma_{\psi(2S )}/\sigma_{J/\psi(1S )}$ in exclusive photoproduction at HERA

ZEUS Collaboration, Abt, I.+81 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本研究利用373 pb⁻¹的数据，在HERA上测量了在排除性光致产生过程中的横截面比值 R = σψ(2S)/σJ/ψ(1S)，探测的运动学范围为30 < W < 180 GeV，Q² < 1 GeV²，|t| < 1 GeV²。该比值在W变化时与常数值一致，随|t|缓慢增加，并随Q²减小而降低，证实了先前的趋势，并为量子色动力学（QCD）启发的矢量介子产生模型提供了约束。

ABSTRACT

The exclusive photoproduction reactions $γp o J/ψ(1S) p$ and $γp o ψ(2S) p$ have been measured at an $ep$ centre-of-mass energy of 318 GeV with the ZEUS detector at HERA using an integrated luminosity of 373 pb$^{-1}$. The measurement was made in the kinematic range $30 &lt; W &lt; 180$ GeV, $Q^2 &lt; 1$ GeV$^2$ and $|t| &lt; 1$ GeV$^2$, where $W$ is the photon--proton centre-of-mass energy, $Q^2$ is the photon virtuality and $t$ is the squared four-momentum transfer at the proton vertex. The decay channels used were $J/ψ(1S) o μ^+ μ^-$, $ψ(2S) o μ^+ μ^-$ and $ψ(2S) o J/ψ(1S) π^+ π^-$ with subsequent decay $J/ψ(1S) o μ^+ μ^-$. The ratio of the production cross sections, $R = σ_{ψ(2S)} / σ_{J/ψ(1S)}$, has been measured as a function of $W$ and $|t|$ and compared to previous data in photoproduction and deep inelastic scattering and with predictions of QCD-inspired models of exclusive vector-meson production, which are in reasonable agreement with the data.

研究动机与目标

• 测量在HERA上ep碰撞中ψ(2S)与J/ψ(1S)介子的排除性光致产生横截面比值。
• 研究比值 R = σψ(2S)/σJ/ψ(1S) 随W（γp中心系能量）、|t|（四动量转移）和Q²（虚光子性）的变化依赖关系。
• 利用ZEUS实验获得的高精度数据，检验QCD启发的排除性矢量介子产生模型。
• 通过在不同运动学变量上对比数据与理论预测，为理论模型提供新的约束。

提出的方法

• 使用HERA上的ZEUS探测器重建了排除性光致产生事例，ep碰撞能量为√s = 318 GeV。
• 采用的衰变道包括：J/ψ(1S) → μ⁺μ⁻，ψ(2S) → μ⁺μ⁻，以及ψ(2S) → J/ψ(1S)π⁺π⁻并随后J/ψ(1S) → μ⁺μ⁻衰变。
• 通过采用Q² < 1 GeV²，30 < W < 180 GeV，|t| < 1 GeV²的运动学选择，提取了R在W、|t|和Q²上的函数关系。
• 将数据与三种QCD启发模型的预测进行了比较：BCC（热点模型）、JN（带偏移的色二极子模型）和LM（BFKL/IP-Sat结合增强高斯波函数模型）。
• 通过控制样本和探测器响应模拟评估了系统误差。
• 分析使用了373 pb⁻¹的积分亮度，事件选择基于μ子识别和顶点重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 在排除性光致产生过程中，比值 R = σψ(2S)/σJ/ψ(1S) 随γp中心系能量W如何变化？
• RQ2 在质子顶点处，横截面比值R对四动量转移|t|的依赖关系如何？
• RQ3 R如何随光子虚度Q²变化，特别是在Q² → 0时？
• RQ4 QCD启发模型在多大程度上能准确描述R随W、|t|和Q²的变化依赖关系？
• RQ5 数据能否约束ψ(2S)和J/ψ(1S)产生理论预测中的理论不确定性？

主要发现

• 在30 < W < 180 GeV范围内，比值 R = σψ(2S)/σJ/ψ(1S) 与W的关系与常数值一致。
• 观察到R随|t|增加而缓慢、温和地上升，与模型预测一致。
• 数据证实了R随Q²减小而下降的趋势，当Q²趋近于0 GeV²时R减小。
• BCC模型预测的R值高于数据，而LM模型预测的R值低于数据，JN模型提供了最佳的归一化匹配。
• 所有三种模型（BCC、JN、LM）对W和|t|依赖关系的描述均较合理，具有相似的梯度，但绝对归一化差异可达两倍。
• 光致产生与深度非弹性散射（DIS）数据的综合分析显示，R随Q²显著增加，与模型预测一致；光致产生数据有助于约束模型在低Q²区域的行为。