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Title: Observation of triple J/ψ meson production in proton-proton collisions
Abstract

Protons consist of three valence quarks, two up-quarks and one down-quark, held together by gluons and a sea of quark-antiquark pairs. Collectively, quarks and gluons are referred to as partons. In a proton-proton collision, typically only one parton of each proton undergoes a hard scattering – referred to as single-parton scattering – leaving the remainder of each proton only slightly disturbed. Here, we report the study of double- and triple-parton scatterings through the simultaneous production of three J/ψmesons, which consist of a charm quark-antiquark pair, in proton-proton collisions recorded with the CMS experiment at the Large Hadron Collider. We observed this process – reconstructed through the decays of J/ψmesons into pairs of oppositely charged muons – with a statistical significance above five standard deviations. We measured the inclusive fiducial cross-section to be$$27{2}_{-104}^{+141}\,{{{\rm{(stat)}}}}\,\pm 17\,{{{\rm{(syst)}}}}\,{{{\rm{fb}}}}\,$$272104+141(stat)±17(syst)fb, and compared it to theoretical expectations for triple-J/ψmeson production in single-, double- and triple-parton scattering scenarios. Assuming factorization of multiple hard-scattering probabilities in terms of single-parton scattering cross-sections, double- and triple-parton scattering are the dominant contributions for the measured process.

 
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Award ID(s):
2121686
NSF-PAR ID:
10471505
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Springer
Date Published:
Journal Name:
Nature Physics
Volume:
19
Issue:
3
ISSN:
1745-2473
Page Range / eLocation ID:
338 to 350
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. A<sc>bstract</sc>

    Measurements of the inclusive and normalised differential cross sections are presented for the production of single top quarks in association with a W boson in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The data used were recorded with the CMS detector at the LHC during 2016–2018, and correspond to an integrated luminosity of 138 fb1. Events containing one electron and one muon in the final state are analysed. For the inclusive measurement, a multivariate discriminant, exploiting the kinematic properties of the events is used to separate the signal from the dominant$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$tt¯background. A cross section of$$ 79.2\pm 0.9{\left(\textrm{stat}\right)}_{-8.0}^{+7.7}\left(\textrm{syst}\right)\pm 1.2\left(\textrm{lumi}\right) $$79.2±0.9stat8.0+7.7syst±1.2lumipb is obtained, consistent with the predictions of the standard model. For the differential measurements, a fiducial region is defined according to the detector acceptance, and the requirement of exactly one jet coming from the fragmentation of a bottom quark. The resulting distributions are unfolded to particle level and agree with the predictions at next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics.

     
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  3. A<sc>bstract</sc>

    The measurements of the inclusive and differential fiducial cross sections of the Higgs boson decaying to a pair of photons are presented. The analysis is performed using proton-proton collisions data recorded with the CMS detector at the LHC at a centre-of-mass energy of 13 TeV and corresponding to an integrated luminosity of 137 fb1. The inclusive fiducial cross section is measured to be$$ {\sigma}_{\textrm{fid}}={73.4}_{-5.3}^{+5.4}{\left(\textrm{stat}\right)}_{-2.2}^{+2.4}\left(\textrm{syst}\right) $$σfid=73.45.3+5.4stat2.2+2.4systfb, in agreement with the standard model expectation of 75.4 ± 4.1 fb. The measurements are also performed in fiducial regions targeting different production modes and as function of several observables describing the diphoton system, the number of additional jets present in the event, and other kinematic observables. Two double differential measurements are performed. No significant deviations from the standard model expectations are observed.

     
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  4. Abstract

    The Coulomb-free1S0proton-proton (p-p) scattering length relies heavily on numerous and distinct theoretical techniques to remove the Coulomb contribution. Here, it has been determined from the half-off-the-energy-shellp-pscattering cross section measured at center-of-mass energies below 1 MeV using the quasi-freep + d → p + p + nreaction. A Bayesian data-fitting approach using the expression of the s-wave nucleon-nucleon scattering cross section returned ap-pscattering length$${a}_{pp}=-18.1{7}_{-0.58}^{+0.52}{| }_{stat}\pm 0.0{1}_{syst}$$app=18.170.58+0.52stat±0.01systfm and effective ranger0 = 2.80 ± 0.05stat ± 0.001systfm. A model based on universality concepts has been developed to interpret this result. It accounts for the short-range interaction as a whole, nuclear and residual electromagnetic, according to what the s-wave phase-shiftδdoes in the description of low-energy nucleon-nucleon scattering data. We conclude that our parameters are representative of the short-range physics and propose to assess the charge symmetry breaking of the short-range interaction instead of just the nuclear interaction. This is consistent with the current understanding that the charge dependence of nuclear forces is due to different masses of up-down quarks and their electromagnetic interactions. This achievement suggests that these properties have a lesser than expected impact in the context of the charge symmetry breaking.

     
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  5. Abstract Quantum chromodynamics, the theory of the strong force, describes interactions of coloured quarks and gluons and the formation of hadronic matter. Conventional hadronic matter consists of baryons and mesons made of three quarks and quark-antiquark pairs, respectively. Particles with an alternative quark content are known as exotic states. Here a study is reported of an exotic narrow state in the D 0 D 0 π + mass spectrum just below the D *+ D 0 mass threshold produced in proton-proton collisions collected with the LHCb detector at the Large Hadron Collider. The state is consistent with the ground isoscalar $${{{{{{\rm{T}}}}}}}_{{{{{{\rm{c}}}}}}{{{{{\rm{c}}}}}}}^{+}$$ T c c + tetraquark with a quark content of $${{{{{\rm{c}}}}}}{{{{{\rm{c}}}}}}\overline{{{{{{\rm{u}}}}}}}\overline{{{{{{\rm{d}}}}}}}$$ c c u ¯ d ¯ and spin-parity quantum numbers J P  = 1 + . Study of the DD mass spectra disfavours interpretation of the resonance as the isovector state. The decay structure via intermediate off-shell D *+ mesons is consistent with the observed D 0 π + mass distribution. To analyse the mass of the resonance and its coupling to the D * D system, a dedicated model is developed under the assumption of an isoscalar axial-vector $${{{{{{\rm{T}}}}}}}_{{{{{{\rm{c}}}}}}{{{{{\rm{c}}}}}}}^{+}$$ T c c + state decaying to the D * D channel. Using this model, resonance parameters including the pole position, scattering length, effective range and compositeness are determined to reveal important information about the nature of the $${{{{{{\rm{T}}}}}}}_{{{{{{\rm{c}}}}}}{{{{{\rm{c}}}}}}}^{+}$$ T c c + state. In addition, an unexpected dependence of the production rate on track multiplicity is observed. 
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