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Title: Study of Drell-Yan dimuon production in proton-lead collisions at $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ = 8.16 TeV
A bstract Differential cross sections for the Drell-Yan process, including Z boson production, using the dimuon decay channel are measured in proton-lead (pPb) collisions at a nucleon-nucleon centre-of-mass energy of 8.16 TeV. A data sample recorded with the CMS detector at the LHC is used, corresponding to an integrated luminosity of 173 nb − 1 . The differential cross section as a function of the dimuon mass is measured in the range 15–600 GeV, for the first time in proton-nucleus collisions. It is also reported as a function of dimuon rapidity over the mass ranges 15–60 GeV and 60–120 GeV, and ratios for the p-going over the Pb-going beam directions are built. In both mass ranges, the differential cross sections as functions of the dimuon transverse momentum p T and of a geometric variable ϕ * are measured, where ϕ * highly correlates with p T but is determined with higher precision. In the Z mass region, the rapidity dependence of the data indicate a modification of the distribution of partons within a lead nucleus as compared to the proton case. The data are more precise than predictions based upon current models of parton distributions.
Authors:
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Award ID(s):
1913624
Publication Date:
NSF-PAR ID:
10249918
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2021
Issue:
5
ISSN:
1029-8479
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. A bstract The inclusive production of the J/ ψ and ψ (2S) charmonium states is studied as a function of centrality in p-Pb collisions at a centre-of-mass energy per nucleon pair $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 8 . 16 TeV at the LHC. The measurement is performed in the dimuon decay channel with the ALICE apparatus in the centre-of-mass rapidity intervals − 4 . 46 < y cms < − 2 . 96 (Pb-going direction) and 2 . 03 < y cms < 3 . 53 (p-going direction), down to zero transverse momentum ( p T ). The J/more »ψ and ψ (2S) production cross sections are evaluated as a function of the collision centrality, estimated through the energy deposited in the zero degree calorimeter located in the Pb-going direction. The p T -differential J/ ψ production cross section is measured at backward and forward rapidity for several centrality classes, together with the corresponding average 〈 p T 〉 and $$ \left\langle {p}_{\mathrm{T}}^2\right\rangle $$ p T 2 values. The nuclear effects affecting the production of both charmonium states are studied using the nuclear modification factor. In the p-going direction, a suppression of the production of both charmonium states is observed, which seems to increase from peripheral to central collisions. In the Pb-going direction, however, the centrality dependence is different for the two states: the nuclear modification factor of the J/ ψ increases from below unity in peripheral collisions to above unity in central collisions, while for the ψ (2S) it stays below or consistent with unity for all centralities with no significant centrality dependence. The results are compared with measurements in p-Pb collisions at $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 5 . 02 TeV and no significant dependence on the energy of the collision is observed. Finally, the results are compared with theoretical models implementing various nuclear matter effects.« less
  2. A bstract Measurement of Z-boson production in p-Pb collisions at $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 8 . 16 TeV and Pb-Pb collisions at $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 5 . 02 TeV is reported. It is performed in the dimuon decay channel, through the detection of muons with pseudorapidity − 4 < η μ < − 2 . 5 and transverse momentum $$ {p}_{\mathrm{T}}^{\mu } $$ p T μ > 20 GeV/ c in the laboratory frame. The invariant yield and nuclear modification factor are measured for opposite-sign dimuons with invariant mass 60 < m μμ < 120more »GeV/ c 2 and rapidity 2 . 5 < $$ {y}_{\mathrm{cms}}^{\mu \mu} $$ y cms μμ < 4. They are presented as a function of rapidity and, for the Pb-Pb collisions, of centrality as well. The results are compared with theoretical calculations, both with and without nuclear modifications to the Parton Distribution Functions (PDFs). In p-Pb collisions the center-of-mass frame is boosted with respect to the laboratory frame, and the measurements cover the backward ( − 4 . 46 < $$ {y}_{\mathrm{cms}}^{\mu \mu} $$ y cms μμ < − 2 . 96) and forward (2 . 03 < $$ {y}_{\mathrm{cms}}^{\mu \mu} $$ y cms μμ < 3 . 53) rapidity regions. For the p-Pb collisions, the results are consistent within experimental and theoretical uncertainties with calculations that include both free-nucleon and nuclear-modified PDFs. For the Pb-Pb collisions, a 3 . 4 σ deviation is seen in the integrated yield between the data and calculations based on the free-nucleon PDFs, while good agreement is found once nuclear modifications are considered.« less
  3. Abstract The production of $$\phi $$ ϕ mesons has been studied in pp collisions at LHC energies with the ALICE detector via the dimuon decay channel in the rapidity region $$2.5< y < 4$$ 2.5 < y < 4 . Measurements of the differential cross section $$\mathrm{d}^2\sigma /\mathrm{d}y \mathrm{d}p_{\mathrm {T}}$$ d 2 σ / d y d p T are presented as a function of the transverse momentum ( $$p_{\mathrm {T}}$$ p T ) at the center-of-mass energies $$\sqrt{s}=5.02$$ s = 5.02 , 8 and 13 TeV and compared with the ALICE results at midrapidity. The differential cross sections at $$\sqrt{s}=5.02$$more »s = 5.02 and 13 TeV are also studied in several rapidity intervals as a function of $$p_{\mathrm {T}}$$ p T , and as a function of rapidity in three $$p_{\mathrm {T}}$$ p T intervals. A hardening of the $$p_{\mathrm {T}}$$ p T -differential cross section with the collision energy is observed, while, for a given energy, $$p_{\mathrm {T}}$$ p T spectra soften with increasing rapidity and, conversely, rapidity distributions get slightly narrower at increasing $$p_{\mathrm {T}}$$ p T . The new results, complementing the published measurements at $$\sqrt{s}=2.76$$ s = 2.76 and 7 TeV, allow one to establish the energy dependence of $$\phi $$ ϕ meson production and to compare the measured cross sections with phenomenological models. None of the considered models manages to describe the evolution of the cross section with $$p_{\mathrm {T}}$$ p T and rapidity at all the energies.« less
  4. A bstract Measurements are presented of differential cross sections for the production of Z bosons in association with at least one jet initiated by a charm quark in pp collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. The data recorded by the CMS experiment at the LHC correspond to an integrated luminosity of 35.9 fb − 1 . The final states contain a pair of electrons or muons that are the decay products of a Z boson, and a jet consistent with being initiated by a charm quark produced in the hard interaction. Differential cross sections as a functionmore »of the transverse momentum p T of the Z boson and p T of the charm jet are compared with predictions from Monte Carlo event generators. The inclusive production cross section 405 . 4 ± 5 . 6 (stat) ± 24 . 3 (exp) ± 3 . 7 (theo) pb, is measured in a fiducial region requiring both leptons to have pseudorapidity |η| < 2 . 4 and p T > 10 GeV, at least one lepton with p T > 26 GeV, and a mass of the pair in the range 71–111 GeV, while the charm jet is required to have p T > 30 GeV and |η| < 2 . 4. These are the first measurements of these cross sections in proton-proton collisions at 13 TeV.« less
  5. A bstract The p T -differential production cross sections of prompt and non-prompt (produced in beauty-hadron decays) D mesons were measured by the ALICE experiment at midrapidity ( | y | < 0 . 5) in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 5 . 02 TeV. The data sample used in the analysis corresponds to an integrated luminosity of (19 . 3 ± 0 . 4) nb − 1 . D mesons were reconstructed from their decays D 0 → K − π + , D + → K − π + π + , and $$ {\mathrm{D}}_{\mathrm{s}}^{+}\tomore »\upphi {\uppi}^{+}\to {\mathrm{K}}^{-}{\mathrm{K}}^{+}{\uppi}^{+} $$ D s + → ϕ π + → K − K + π + and their charge conjugates. Compared to previous measurements in the same rapidity region, the cross sections of prompt D + and $$ {\mathrm{D}}_{\mathrm{s}}^{+} $$ D s + mesons have an extended p T coverage and total uncertainties reduced by a factor ranging from 1.05 to 1.6, depending on p T , allowing for a more precise determination of their p T -integrated cross sections. The results are well described by perturbative QCD calculations. The fragmentation fraction of heavy quarks to strange mesons divided by the one to non-strange mesons, f s / ( f u + f d ), is compatible for charm and beauty quarks and with previous measurements at different centre-of-mass energies and collision systems. The $$ \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}} $$ b b ¯ production cross section per rapidity unit at midrapidity, estimated from non-prompt D-meson measurements, is $$ \mathrm{d}{\sigma}_{\mathrm{b}\overline{\mathrm{b}}}/\mathrm{d}y\left|{}_{\left|\mathrm{y}\right|<0.5}=34.5\pm 2.4{\left(\mathrm{stat}\right)}_{-2.9}^{+4.7}\left(\mathrm{tot}.\mathrm{syst}\right)\right. $$ d σ b b ¯ / d y y < 0.5 = 34.5 ± 2.4 stat − 2.9 + 4.7 tot . syst μb. It is compatible with previous measurements at the same centre-of-mass energy and with the cross section pre- dicted by perturbative QCD calculations.« less