5.02 TeV PbPb 衝突における中心度関数としての ψ(2S) から J/ψ への断面積比の測定

核心概念

LHCb 実験で収集されたデータを使用して、5.02 TeV の PbPb 衝突における ψ(2S) から J/ψ への生成断面積比は、衝突の中心度に依存しないことが示されました。

要約

研究目的

この論文は、クォークグルーオンプラズマ (QGP) の形成と特性を探るために、5.02 TeV の PbPb 衝突における中心度関数としての ψ(2S) から J/ψ への生成断面積比を測定することを目的としています。

方法

• LHCb 検出器を用いて、√sNN = 5.02 TeV の PbPb 衝突データが収集されました。
• J/ψ および ψ(2S) 粒子は、シミュレーションを使用して生成され、EPOS イベントジェネレータからの最小バイアス PbPb 衝突に埋め込まれました。
• Charmonium 粒子の収量は、衝突の中心度の区間に応じて決定されました。
• シミュレーションを用いて、信号選択の総効率 εtot が決定されました。
• 信号とバックグラウンドの収量と効率の評価に関連する系統的不確実性が考慮されました。

主な結果

• 測定された ψ(2S) から J/ψ への生成断面積比は、衝突の中心度に依存しないことがわかりました。
• この結果は、同じ重心エネルギーで同様のラピディティと横運動量をカバーしていますが、異なる中心領域をカバーする、ALICE 測定と誤差の範囲内で一致しています。
• LHCb pp および pPb 測定でも、報告された結果と一致することが示されています。

結論

• ψ(2S) から J/ψ への生成断面積比は、衝突の中心度に有意な依存性を示していません。
• この測定値は、最新の理論予測と比較されており、1.5 標準偏差以内またはそれ以上で一致しており、最低中心度区間ではわずかに緊張が見られます。
• SHMc 計算は、範囲全体でデータを過小評価する傾向があります。TAMU モデルは、より適切な記述を実現しています。
• ただし、現在の実験精度は、確固たる結論を導き出すには不十分です。
• この研究は、Run 3 でアップグレードされた LHCb 検出器を使用した追加の測定によって達成できる、中間中心度での PbPb 衝突におけるクォーコニウム生成のより深い理解に向けた最初のステップです。

統計

衝突の重心エネルギー: 5.02 TeV
積分ルミノシティ: 約 230 µb−1
ψ(2S) から J/ψ への生成断面積比は、衝突の中心度に依存しない。
LHCb pp 測定の参加核子の数: ⟨Npart⟩ = 2
LHCb pPb 測定の参加核子の数: ⟨Npart⟩ = 8

引用

"The measured ratio shows no dependence on the collision centrality, and is compared to the latest theory predictions and to the recent measurements in literature."
"The two measurements are in agreement within uncertainties in the overlapping region, showing no dependency on ⟨Npart⟩."
"The LHCb pp [39] and pPb [40] measurements are reported in the same figure showing also agreement with the results reported here."

抽出されたキーインサイト

Measurement of the $\psi(2S)$ to $J/\psi$ cross-section ratio as a function of centrality in PbPb collisions at $\sqrt{s_{\text{NN}}}$ = 5.02 TeV

by LHCb... 場所 arxiv.org 11-11-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.05669.pdf

深掘り質問

異なる衝突エネルギーや衝突システムでは、ψ(2S) から J/ψ への生成断面積比はどのように変化するのでしょうか？

異なる衝突エネルギーや衝突システムでは、ψ(2S) から J/ψ への生成断面積比は、媒質の効果と、ψ(2S) 状態と J/ψ 状態の結合エネルギーの違いによる影響を受け、複雑な挙動を示します。

衝突エネルギー: 衝突エネルギーが増加すると、

生成されるクォークグルーオンプラズマ (QGP) のエネルギー密度と温度が上昇します。
より多くのエネルギー密度では、より多くのチャモニウムが QGP に溶解するため、抑制効果が強くなります。
ψ(2S) は J/ψ よりも結合エネルギーが弱いため、QGP による抑制を受けやすく、高エネルギーでは ψ(2S) から J/ψ への生成断面積比は減少する傾向があります。

衝突システム: 陽子-陽子 (pp) 衝突、陽子-原子核 (pA) 衝突、鉛-鉛 (PbPb) 衝突のような異なる衝突システムでは、

生成される QGP の体積と寿命が異なります。
PbPb 衝突は、より大きく、より長寿命の QGP を生成するため、チャモニウム抑制効果がより顕著になります。
pA 衝突では、コールドニュークリアマター (CNM) 効果の影響も受けます。CNM 効果とは、原子核媒質中でのパートンのエネルギー損失や多重散乱などの効果を指します。
ψ(2S) は J/ψ よりも CNM 効果の影響を受けやすいと考えられています。
したがって、ψ(2S) から J/ψ への生成断面積比は、衝突エネルギーや衝突システムによって異なる挙動を示すことが予想されます。これらの違いを系統的に研究することで、QGP の性質や、チャモニウムと QGP の相互作用に関する重要な情報を得ることができます。

この研究の結果は、クォークグルーオンプラズマの形成に関する現在の理論モデルにどのような影響を与えるのでしょうか？

この研究では、LHCb 実験で測定された PbPb 衝突における ψ(2S) から J/ψ への生成断面積比は、衝突中心度には有意な依存性を示さないという結果が得られました。この結果は、クォークグルーオンプラズマ (QGP) の形成に関する現在の理論モデルに、次のような影響を与える可能性があります。

統計的ハドロン化モデル (SHMc): このモデルは、QGP のハドロンへの転移を統計的に記述し、チャモニウム生成量比を予測します。今回の LHCb の結果は、SHMc モデルの予測と定量的には一致しない部分があり、モデルの改良が必要となる可能性を示唆しています。
輸送モデル (TAMU): このモデルは、QGP 中でのチャモニウムの拡散や解離、再結合などを考慮した動的な描像に基づいています。今回の LHCb の結果は、TAMU モデルの予測と比較的良い一致を示しており、QGP 中でのチャモニウムの挙動を記述する上で、輸送モデルが有効であることを支持する結果となっています。
しかし、今回の LHCb 実験の結果は、統計的に制限された中心度範囲で得られたものであることに注意が必要です。より広範囲の中心度や、異なる衝突エネルギーでの測定を行うことで、理論モデルに対するより強い制限を与えることができると期待されます。

他のクォーコニウム状態の測定は、QGP の特性を理解する上でどのような追加の洞察を提供できるでしょうか？

ψ(2S) と J/ψ 以外のクォーコニウム状態、例えば Υ (ウプシロン) 粒子や χc (カイシー) 粒子の測定は、QGP の特性をより深く理解する上で、以下の様な追加の洞察を提供すると期待されます。

QGP の温度依存性: 異なるクォーコニウム状態は、異なる結合エネルギーを持っています。結合エネルギーが高いほど、QGP 中で解離しにくいため、QGP の温度に対する感受性が異なります。複数のクォーコニウム状態の測定から、QGP の温度をより正確に決定できる可能性があります。
QGP の空間的構造: 異なるクォーコニウム状態は、異なる質量と寿命を持つため、QGP 中での拡散距離が異なります。複数のクォーコニウム状態の測定から、QGP の空間的な広がりや、内部構造に関する情報を得られる可能性があります。
チャームクォークとボトムクォークの質量効果: チャモニウムはチャームクォーク (c) と反チャームクォーク (c̄) から、ウプシロンはボトムクォーク (b) と反ボトムクォーク (b̄) から構成されています。これらのクォークの質量の違いにより、QGP 中での相互作用やエネルギー損失の仕方が異なります。チャモニウムとウプシロンの測定を比較することで、クォークの質量効果による QGP 中でのハドロン生成への影響を調べることができます。
これらの追加の測定は、QGP の形成と進化、そして強い相互作用の基礎理論である量子色力学 (QCD) の理解を深める上で、非常に重要です。