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Title: ψ(2S) Suppression in Pb-Pb Collisions at the LHC
The production of the ψ ( 2 S ) charmonium state was measured with ALICE in Pb-Pb collisions at s NN = 5.02 TeV , in the dimuon decay channel. A significant signal was observed for the first time at LHC energies down to zero transverse momentum, at forward rapidity ( 2.5 < y < 4 ). The measurement of the ratio of the inclusive production cross sections of the ψ ( 2 S ) and J / ψ resonances is reported as a function of the centrality of the collisions and of transverse momentum, in the region p T < 12 GeV / c . The results are compared with the corresponding measurements in p p collisions, by forming the double ratio [ σ ψ ( 2 S ) / σ J / ψ ] Pb Pb / [ σ ψ ( 2 S ) / σ J / ψ ] p p . It is found that in Pb-Pb collisions the ψ ( 2 S ) is suppressed by a factor of 2 with respect to the J / ψ . The ψ ( 2 S ) nuclear modification factor R AA was also obtained as a function of both centrality and p T . The results show that the ψ ( 2 S ) resonance yield is strongly suppressed in Pb-Pb collisions, by a factor of up to 3 with respect to p p . Comparisons of cross section ratios with previous Super Proton Synchrotron findings by the NA50 experiment and of R AA with higher- p T results at LHC energy are also reported. These results and the corresponding comparisons with calculations of transport and statistical models address questions on the presence and properties of charmonium states in the quark-gluon plasma formed in nuclear collisions at the LHC. © 2024 CERN, for the ALICE Collaboration2024CERN  more » « less
Award ID(s):
2208883 2012154
PAR ID:
10514257
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
journals.aps.org
Date Published:
Journal Name:
Physical Review Letters
Volume:
132
Issue:
4
ISSN:
0031-9007
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. The first observation of the concurrent production of two J / ψ mesons in proton-nucleus collisions is presented. The analysis is based on a proton-lead ( p Pb ) data sample recorded at a nucleon-nucleon center-of-mass energy of 8.16 TeV by the CMS experiment at the CERN LHC and corresponding to an integrated luminosity of 174.6 nb 1 . The two J / ψ mesons are reconstructed in their μ + μ decay channels with transverse momenta p T > 6.5 GeV and rapidity | y | < 2.4 . Events where one of the J / ψ mesons is reconstructed in the dielectron channel are also considered in the search. The p Pb J / ψ J / ψ + X process is observed with a significance of 5.3 standard deviations. The measured inclusive fiducial cross section, using the four-muon channel alone, is σ ( p Pb J / ψ J / ψ + X ) = 22.0 ± 8.9 ( stat ) ± 1.5 ( syst ) nb . A fit of the data to the expected rapidity separation for pairs of J / ψ mesons produced in single (SPS) and double (DPS) parton scatterings yields σ SPS p Pb J / ψ J / ψ + X = 16.5 ± 10.8 ( stat ) ± 0.1 ( syst ) nb and σ DPS p Pb J / ψ J / ψ + X = 5.4 ± 6.2 ( stat ) ± 0.4 ( syst ) nb , respectively. This latter result can be transformed into a lower bound on the effective DPS cross section, closely related to the squared average interparton transverse separation in the collision, of σ eff > 1.0 mb at 95% confidence level. © 2024 CERN, for the CMS Collaboration2024CERN 
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  2. The first observation of the decay Ξ b ψ ( 2 S ) Ξ and measurement of the branching ratio of Ξ b ψ ( 2 S ) Ξ to Ξ b J / ψ Ξ are presented. The J / ψ and ψ ( 2 S ) mesons are reconstructed using their dimuon decay modes. The results are based on proton-proton colliding beam data from the LHC collected by the CMS experiment at s = 13 TeV in 2016–2018, corresponding to an integrated luminosity of 140 fb 1 . The branching fraction ratio is measured to be B ( Ξ b ψ ( 2 S ) Ξ ) / B ( Ξ b J / ψ Ξ ) = 0.8 4 0.19 + 0.21 ( stat ) ± 0.10 ( syst ) ± 0.02 ( B ) , where the last uncertainty comes from the uncertainties in the branching fractions of the charmonium states. New measurements of the Ξ b ( 5945 ) 0 baryon mass and natural width are also presented, using the Ξ b π + final state, where the Ξ b baryon is reconstructed through the decays J / ψ Ξ , ψ ( 2 S ) Ξ , J / ψ Λ K , and J / ψ Σ 0 K . Finally, the fraction of Ξ b baryons produced from Ξ b ( 5945 ) 0 decays is determined. © 2024 CERN, for the CMS Collaboration2024CERN 
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  3. The first measurement of the cross section for incoherent photonuclear production of J / ψ vector mesons as a function of the Mandelstam | t | variable is presented. The measurement was carried out with the ALICE detector at midrapidity, | y | < 0.8 , using ultraperipheral collisions of Pb nuclei at a center-of-mass energy per nucleon pair of s NN = 5.02 TeV . This rapidity interval corresponds to a Bjorken- x range ( 0.3 1.4 ) × 10 3 . Cross sections are given in five | t | intervals in the range 0.04 < | t | < 1 GeV 2 and compared to the predictions by different models. Models that ignore quantum fluctuations of the gluon density in the colliding hadron predict a | t | dependence of the cross section much steeper than in data. The inclusion of such fluctuations in the same models provides a better description of the data. © 2024 CERN, for the ALICE Collaboration2024CERN 
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  4. K + K pairs may be produced in photonuclear collisions, either from the decays of photoproduced ϕ ( 1020 ) mesons or directly as nonresonant K + K pairs. Measurements of K + K photoproduction probe the couplings between the ϕ ( 1020 ) and charged kaons with photons and nuclear targets. The kaon-proton scattering occurs at energies far above those available elsewhere. We present the first measurement of coherent photoproduction of K + K pairs on lead ions in ultraperipheral collisions using the ALICE detector, including the first investigation of direct K + K production. There is significant K + K production at low transverse momentum, consistent with coherent photoproduction on lead targets. In the mass range 1.1 < M K K < 1.4 GeV / c 2 above the ϕ ( 1020 ) resonance, for rapidity | y K K | < 0.8 and p T , K K < 0.1 GeV / c , the measured coherent photoproduction cross section is d σ / d y = 3.37 ± 0.61 ( stat ) ± 0.15 ( syst ) mb . The center-of-mass energy per nucleon of the photon-nucleus (Pb) system W γ Pb , n ranges from 33 to 188 GeV, far higher than previous measurements on heavy-nucleus targets. The cross section is larger than expected for ϕ ( 1020 ) photoproduction alone. The mass spectrum is fit to a cocktail consisting of ϕ ( 1020 ) decays, direct K + K photoproduction, and interference between the two. The confidence regions for the amplitude and relative phase angle for direct K + K photoproduction are presented. © 2024 CERN, for the ALICE Collaboration2024CERN 
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  5. The J / ψ μ + μ μ + μ decay has been observed with a statistical significance in excess of five standard deviations. The analysis is based on an event sample of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, collected by the CMS experiment in 2018 and corresponding to an integrated luminosity of 33.6 fb 1 . Normalizing to the J / ψ μ + μ decay mode leads to a branching fraction of [ 10.1 2.7 + 3.3 ( stat ) ± 0.4 ( syst ) ] × 10 7 , a value that is consistent with the standard model prediction. © 2024 CERN, for the CMS Collaboration2024CERN 
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