[论文解读] Study of exclusive photoproduction of charmonium in ultra-peripheral lead-lead collisions

LHCb collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Atomic and Molecular Physics被引用 3

一句话总结

本研究基于2018年LHCb实验采集的228 ± 10 µb⁻¹数据，首次在√sNN = 5.02 TeV的超外围PbPb碰撞中，对J/ψ和ψ(2S)粲偶素态的相干光致产生进行了迄今最精确的测量。结果报告了积分截面σcoh_J/ψ = 5.965 ± 0.059 ± 0.232 ± 0.262 mb和σcoh_ψ(2S) = 0.923 ± 0.086 ± 0.028 ± 0.040 mb，以及截面比σcoh_ψ(2S)/σcoh_J/ψ = 0.155 ± 0.014 ± 0.003，均与理论预测一致。

ABSTRACT

The cross-sections of exclusive (coherent) photoproduction $J/ψ$ and $ψ(\mathrm{2S})$ mesons in ultra-peripheral PbPb collisions at a nucleon-nucleon centre-of-mass energy of $5.02\,\mathrm{TeV}$ are measured using a data sample corresponding to an integrated luminosity of $228\pm10\,\mathrm{μb}^{-1}$, collected by the LHCb experiment in 2018. The differential cross-sections are measured separately as a function of transverse momentum and rapidity in the nucleus-nucleus centre-of-mass frame for $J/ψ$ and $ψ(\mathrm{2S})$ mesons. The integrated cross-sections are measured to be \mbox{$σ^\mathrm{coh}_{J/ψ} = 5.965 \pm 0.059 \pm 0.232 \pm 0.262\,\mathrm{mb}$} and \mbox{$σ^\mathrm{coh}_{ψ(\mathrm{2S})} = 0.923 \pm 0.086 \pm 0.028 \pm 0.040\,\mathrm{mb}$}, where the first listed uncertainty is statistical, the second systematic and the third due to the luminosity determination. The cross-section ratio is measured to be \mbox{$σ^\mathrm{coh}_{ψ(\mathrm{2S})}/σ^\mathrm{coh}_{J/ψ} = 0.155 \pm 0.014 \pm 0.003$}, where the first uncertainty is statistical and the second is systematic. These results are compatible with theoretical predictions.

研究动机与目标

• 测量在√sNN = 5.02 TeV的超外围PbPb碰撞中J/ψ和ψ(2S)强子的微分与积分截面。
• 通过相干粲偶素产生，探测小动量分数区域（x ≈ m/√sNN e±y）的核胶子分布函数与阴影效应。
• 提供ψ(2S)/J/ψ截面比的高精度测量，以约束涉及波函数选择与因子化尺度的理论模型。
• 首次在PbPb碰撞中将相干粲偶素产生的测量扩展至前向区域（2.0 < y* < 4.5）。

提出的方法

• 数据由2018年LHCb实验采集，对应积分亮度为228 ± 10 µb⁻¹。
• 信号事例通过J/ψ和ψ(2S)强子的二μ衰变道（μ⁺μ⁻）重建。
• 利用LHCb探测器的追踪、μ子识别和前向电磁量能器系统完成运动学重建与选择。
• 通过顶点重建、不变质量选择及撞击参数截断实现背景抑制。
• 利用基于STARlight事件生成器的详细蒙特卡罗模拟，对探测器效应进行修正，以模拟超外围碰撞。
• 通过改变选择标准、探测器响应建模及亮度测定方法，评估系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√sNN = 5.02 TeV的PbPb超外围碰撞中，J/ψ和ψ(2S)相干光致产生的微分与积分截面是多少？
• RQ2 ψ(2S)与J/ψ的相干截面比如何随快度变化？是否与理论预测一致？
• RQ3 测量得到的截面在多大程度上约束了小x区域的核阴影效应与胶子分布函数模型？
• RQ4 在PbPb UPC中ψ(2S)前向区域测量具有何种重要意义？

主要发现

• J/ψ的积分相干截面测量结果为σcoh_J/ψ = 5.965 ± 0.059（统计）± 0.232（系统）± 0.262（亮度）mb。
• ψ(2S)的积分相干截面测量结果为σcoh_ψ(2S) = 0.923 ± 0.086（统计）± 0.028（系统）± 0.040（亮度）mb。
• 截面比σcoh_ψ(2S)/σcoh_J/ψ的测量结果为0.155 ± 0.014（统计）± 0.003（系统），其中亮度不确定性在比值中相互抵消。
• 报告了在2.0 < y* < 4.5范围内，J/ψ和ψ(2S)的快度（y*）与横动量（p*T）的微分截面。
• ψ(2S)测量结果是PbPb碰撞中首次在前向区域观测到相干光致产生。
• 所有结果均与基于二极子模型和微扰QCD计算的理论预测一致。