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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.  more » « less
Award ID(s):
1913624
PAR ID:
10249918
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2021
Issue:
5
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. The production of 𝜂 and 𝜂′ mesons is studied in proton-proton and proton-lead collisions collected with the LHCb detector. Proton-proton collisions are studied at center-of-mass energies of 5.02 and 13TeV and proton-lead collisions are studied at a center-of-mass energy per nucleon of 8.16TeV. The studies are performed in center-of-mass (c.m.) rapidity regions 2.5<𝑦c.m.<3.5 (forward rapidity) and −4.0<𝑦c.m.<−3.0 (backward rapidity) defined relative to the proton beam direction. The 𝜂 and 𝜂′ production cross sections are measured differentially as a function of transverse momentum for 1.5<𝑝T<10GeV and 3<𝑝T<10GeV, respectively. The differential cross sections are used to calculate nuclear modification factors. The nuclear modification factors for 𝜂 and 𝜂′ mesons agree at both forward and backward rapidity, showing no significant evidence of mass dependence. The differential cross sections of 𝜂 mesons are also used to calculate 𝜂/𝜋0 cross-section ratios, which show evidence of a deviation from the world average. These studies offer new constraints on mass-dependent nuclear effects in heavy-ion collisions, as well as 𝜂 and 𝜂′ meson fragmentation. 
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  2. 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 $$\sqrt{s}=5.02$$ 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. 
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  3. null (Ed.)
    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/ 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. 
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  4. A bstract The production cross-sections of J/ψ mesons in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 5 TeV are measured using a data sample corresponding to an integrated luminosity of 9 . 13 ± 0 . 18 pb − 1 , collected by the LHCb experiment. The cross-sections are measured differentially as a function of transverse momentum, p T , and rapidity, y , and separately for J/ψ mesons produced promptly and from beauty hadron decays (nonprompt). With the assumption of unpolarised J/ψ mesons, the production cross-sections integrated over the kinematic range 0 < p T < 20 GeV/ c and 2 . 0 < y < 4 . 5 are $$ {\displaystyle \begin{array}{c}{\sigma}_{\mathrm{prompt}}\ J/\psi =8.154\pm 0.010\pm 0.283\ \upmu \mathrm{b},\\ {}{\sigma}_{\mathrm{nonprompt}}\ J/\psi =0.820\pm 0.003\pm 0.034\ \upmu \mathrm{b},\end{array}} $$ σ prompt J / ψ = 8.154 ± 0.010 ± 0.283 μb , σ nonprompt J / ψ = 0.820 ± 0.003 ± 0.034 μb , where the first uncertainties are statistical and the second systematic. These cross-sections are compared with those at $$ \sqrt{s} $$ s = 8 TeV and 13 TeV, and are used to update the measurement of the nuclear modification factor in proton-lead collisions for J/ψ mesons at a centre-of-mass energy per nucleon pair of $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ s NN = 5 TeV. The results are compared with theoretical predictions. 
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  5. null (Ed.)
    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 < 120 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. 
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