다중성에 따른 ψ(2S)와 J/ψ 비율 측정 in pPb 충돌

초록

LHCb는 √sₙₙ = 8.16 TeV인 p‑Pb 및 Pb‑p 충돌에서 ψ(2S)와 J/ψ의 생산 비율을 전하 다중성에 따라 측정하였다. 전자기적(프롬프트) 생산에서는 전방(p‑Pb)에서 다중성이 증가함에 따라 비율이 감소하는 경향을 보였지만, 비프롬프트(b‑hadron에서 유래) 생산이나 뒤방(Pb‑p)에서는 뚜렷한 의존성이 없었다. 이는 Pb‑방향에서 콤오버 효과를 넘어선 추가적인 억제 메커니즘, 즉 작은 QGP 형성 가능성을 시사한다.

상세 분석

본 연구는 LHCb 전방 검출기의 2 < η < 5 범위에서 μ⁺μ⁻ 붕괴 채널을 이용해 ψ(2S)와 J/ψ를 재구성하고, 프롬프트와 비프롬프트(즉, b‑hadron에서의 2‑body 붕괴) 생산을 구분하였다. 프롬프트와 비프롬프트를 구분하기 위해 pseudo‑decay time t_z 를 활용했으며, t_z ≈ 0인 경우를 프롬프트, 양의 긴 t_z 분포를 비프롬프트로 정의하였다. 다중성 변수는 PV 주변 트랙 수(N_PV_tracks), 전방(N_PV_fwd) 및 후방(N_PV_bwd) 트랙 수로 정의하고, 각각을 무편향(no‑bias) 데이터의 평균값으로 정규화하였다.

크로스섹션 비율 σ(ψ(2S))/σ(J/ψ)는 각 다중성 구간에서 측정된 신호 수 Y_i 를 효율(acceptance·reconstruction·PID·trigger)로 보정한 뒤, 브랜칭 비율이 소거된 형태로 계산되었다. 효율 보정은 시뮬레이션 기반 가중치와 데이터‑드리븐 트랙·PID 보정으로 수행했으며, 시뮬레이션은 EPOS 기반 p‑Pb 및 Pb‑p 이벤트에 Pythia‑generated ψ(2S), J/ψ를 삽입해 현실적인 트랙 다중성을 재현하였다.

신호 추출은 2‑차원(질량·t_z) 비확률 최대우도 피팅으로 진행했으며, J/ψ는 두 개의 Crystal Ball 함수, ψ(2S)는 하나의 Crystal Ball 함수를 사용해 피크와 폭을 자유롭게 하였다. 배경은 질량에서 지수형, t_z에서는 다중 지수함수와 잘못된 PV 할당을 위한 템플릿을 포함했다. 피팅 결과는 sPlot 기법을 통해 각 이벤트에 가중치를 부여, 시뮬레이션의 p_T·y* 분포를 데이터와 일치시키는 데 활용되었다.

시스템틱 불확실성은 PID·트랙 효율 보정, 시뮬레이션 통계, 피팅 모델(질량·t_z) 선택, 다중성 구간 정의 등에 대해 각각 평가하였다. 특히, ψ(2S) 질량 피팅에 두 개의 Crystal Ball 함수를 도입했을 때와 기본 모델 간 차이는 무시할 수준이었다.

핵심 결과는 다음과 같다. 전방(p‑Pb, 1.5 < y* < 4.0)에서 프롬프트 ψ(2S)/J/ψ 비율은 다중성이 커질수록 감소하는 경향을 보였으며, 이는 콤오버 효과(다중 입자와의 최종 상태 상호작용)와 함께 추가적인 억제 메커니즘이 작용함을 암시한다. 반면, 비프롬프트 비율은 다중성에 무감각했으며, 뒤방(Pb‑p, –5.0 < y* < –2.5)에서는 프롬프트·비프롬프트 모두 거의 일정한 비율을 유지했다. 이러한 비대칭성은 Pb‑방향에서 더 높은 핵 물질 밀도와 가능한 짧은 시간 규모의 QGP 형성이 프롬프트 ψ(2S) 억제를 강화시킬 수 있음을 시사한다.

결과는 기존의 p‑A에서 관측된 “excited state 더 큰 억제” 현상을 다중성 의존성이라는 새로운 차원에서 확장한다. 특히, 작은 시스템(p‑Pb)에서도 다중성에 따라 억제가 변한다는 점은 QGP‑like 현상이 최소한 고밀도 환경에서 나타날 수 있음을 뒷받침한다. 향후 더 높은 통계와 다양한 충돌 시스템(예: O‑O, Xe‑Xe)에서 동일한 분석을 수행하면, 억제 메커니즘을 구분하고 콤오버와 QGP 효과를 정량화하는 데 중요한 단서를 제공할 것이다.