Measurement of the η c (1S) production cross-section via the decay η c to proton-antiproton final state

Mesure de la section efficace de la production η c (1S) avec la désintegration η c à l'état final proton-antiproton

Maksym Teklishyn (1)

1 LAL - Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire

This thesis addresses a study of the η c (1S) charmonium state using decays to proton-antiproton final state at the LHCb experiment. The production cross-section of the η c meson in parton interactions and in b-hadron decays are reported. Production of the η c (1S) state is measured via the decay to ppbar with the LHCb detector, using an integrated luminosity of 0.7 fb⁻¹ accumulated at 7 TeV centre-of-mass energy in 2011, and an integrated luminosity of 2 fb⁻¹ accumulated at 8 TeV centre-of-mass energy in 2012. The measurements are performed using the J/ψ → ppbar decay as a reference channel. High centre-of-mass energies available in proton-proton collisions at the LHC allow models describing charmonium production to be tested. We distinguish promptly produced charmonia from those originating from b-hadron decays. Promptly produced charmonia include charmonia directly produced in parton interactions and those originating from the decays of heavier quarkonium states, which are in turn produced in parton interactions. Prompt charmonium production comprises direct production in the parton interaction and charmonium originating from decays of heavier states. The relative rate of prompt production of the η c and J/ψ states in the LHCb acceptance (rapidity range 2.0 < y < 4.5) and for p T (J/ψ , η c ) > 6.5 GeV/c is measured for the first time to be σ (η c) /σ (J/ψ) = 1.74 ± 0.29 stat ± 0.28 syst ± 0.18 B at a centre-of-mass energy 7 TeV, and σ (η c) /σ (J/ψ) = 1.60 ± 0.29 stat ± 0.25 syst ± 0.17 B at a centre-of-mass energy s = 8 TeV. Using the J/ψ production cross-section measured by LHCb and assuming no J/ψ polarization, the absolute η c prompt production cross-section in the same kinematic regime is found to be σ η c = 0.52 ± 0.09 stat ± 0.08 syst ± 0.06 σ J/ψ , B at a centre-of-mass energy 7 TeV, and σ η c = 0.59 ± 0.11 stat ± 0.09 syst ± 0.08 σ J/ψ , B at a centre-of-mass energy s = 8 TeV. The third error component corresponds to the uncertainty in the J/ψ → pp and η c → pp branching fractions and the J/ψ cross-section measurement. The relative η c to J/ψ inclusive branching fraction from b-hadron decays is measured to be B(b→η c X) /B(b→J/ψ X) = 0.42 ± 0.06 stat ± 0.02 syst ± 0.05 B. Using the J/ψ inclusive branching fraction from b-hadron decays measured with the J/ψ → μμ decay channel, the inclusive η c branching fraction from b-hadron decays is found to be B(b→η c X) = (4.9 ± 0.6 stat ± 0.3 syst ± 0.7 B) × 10 ⁻³ ,where the third error component corresponds to the uncertainty in the J/ψ → pp and η c → pp branching fractions (and the J/ψ inclusive branching fraction from b-hadron decays). The measurement of the relative η c inclusive branching fraction from b-hadron decays is the most precise to date. Using low-background sample of η c from b-hadron decays, the J/ψ and η c mass difference, ∆M J/ψ , η c = 114.7 ± 1.5 ± 0.1 MeV/c² , is measured. The value of the relative inclusive η c production to J/ψ is important for distinguishing between a variety of theoretical models. The η c cross-section is measured in bins of transverse momentum. It exhibits a similar behaviour to those obtained in the J/ψ production analysis, though with significantly larger uncertainties. The upper limits on the production of some other charmonium states are addressed.

Cette thèse répond une étude de la η c (1S) d'état de charmonium utilisant désintégrations à l'état final proton-antiproton à l'expérience LHCb. La section efficace de production du méson η c dans les interactions parton et dans les désintégrations b-hadrons sont signalés. La production de l'état η c (1S) est mesurée par la désintégration de ppbar avec le détecteur LHCb, en utilisant une luminosité intégrée de 0,7 fb⁻¹ accumulé à 7 TeV l'énergie de centre de masse en 2011, et une luminosité intégrée de 2 fb⁻¹ accumulé à 8 TeV l'énergie de centre de masse en 2012 les mesures sont effectuées en utilisant le J / ψ → ppbar décroissance comme un canal de référence. Haut de centre de masse des énergies disponibles dans les collisions proton-proton au LHC permet modèles décrivant la production de charmonium à tester. Nous distinguons rapidement présenté charmonia de ceux provenant de b-hadron se désintègre. Rapidement produites charmonia comprennent charmonia produit directement dans les interactions parton et ceux provenant de la désintégration de lourdes Etats quarkonium, qui sont à leur tour produit dans les interactions de partons. Production de charmonium invite comprend la production directe de l'interaction de parton et charmonium provenant de désintégrations des etats les plus lourds. Le taux relatif de la production rapide de l'etats η c et J / ψ dans l'acceptation LHCb (gamme de rapidité 2,0 6,5 GeV/c est mesurée pour la première le temps d'être σ (η c) / σ (J / ψ) = 1,74 ± 0,29 ± 0,28 stat syst ± 0,18 B l'énergie de centre de masse 7 TeV, et σ (η c) / σ (J / ψ) = 1,60 ± 0,29 stat ± 0,25 ± 0,17 syst B l'énergie de centre de masse 8 TeV. Utilisation du J / ψ section efficace de production mesurée par LHCb et en supposant qu'aucun J / ψ polarisation, l'absolu η c section efficace de production dans le même régime cinématique est σ η c = 0,52 ± 0,09 ± 0,08 stat syst ± 0,06 σ J / ψ, B l'énergie de centre de masse 7 TeV, et σ η c = 0,59 ± 0,11 stat ± 0,09 ± 0,08 syst σ J / ψ, B l'énergie de centre de masse 8 TeV. La troisième composante d'erreur correspond à l'incertitude de la J / ψ → p et η c → p ramification fractions et la mesure de section eficase J/ψ. Le rapport η c à J/ψ compris fraction de branchement de b-hadron désintégrations est mesuré pour être B (b → η c X) / B (b → J / ψ X) = 0,42 ± 0,06 ± 0,02 stat syst ± 0,05 B. Utilisation de l'J/ψ compris fraction ramification de b-hadron désintégrations mesuré avec le J/ψ →μμ canal de désintégration, l'inclusion η c ramification fraction de b-hadron désintégrations se trouve être B (b → η c X) = (4,9 ± 0,6 ± 0,3 stat syst ± 0,7 B) × 10 ⁻³, où la troisième composante d'erreur correspond à l'incertitude dans les J/ψ → pp et η c → pp ramification fractions (et le J/ψ compris fraction J ramification de b-hadron décroît). La mesure de la fraction η c de branchement inclus rapport de b-hadron se désintègre est la plus précise à ce jour. Utilisation de l'échantillon à faible fond de η c de b-hadron se désintègre, la différence de masse J / ψ et η c, ΔMJ / ψ, η c = 114,7 ± 1,5 ± 0,1 MeV / c², est mesurée. La valeur de la production par rapport compris η c J/ψ est important de faire la distinction entre une grande variété de modèles théoriques. Le η c section est mesurée dans des bacs de dynamique transversale. Il présente un comportement similaire à ceux obtenus dans l'analyse de la production J/ψ, mais avec beaucoup plus importantes incertitudes. Les limites supérieures sur la production de certains autres états charmonium sont adressées.

Mots clés: QCD; Hadroproduction; Quarkonium

Mots clés: QCD; Hadroproduction; Quarkonium

Domaines: Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]

Maksym Teklishyn. Measurement of the η c (1S) production cross-section via the decay η c to proton-antiproton final state. High Energy Physics - Experiment [hep-ex]. Université Paris Sud - Paris XI, 2014. English. ⟨NNT : 2014PA112224⟩. ⟨tel-01151708⟩