Measurement of prompt and non-prompt ${\rm D}^{\rm *+}$-meson spin alignment in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13.6 TeV$

技術要約：$\sqrt{s} = 13.6$ TeVにおけるpp衝突でのプロンプトおよびノンプロンプト$D^{*+}$中間子のスピン整列の測定

問題と動機
重いフレーバー・ハドロンの生成は、量子色力学（QCD）、特にハドロン化の非摂動的な動力学に関する重要なプローブとして機能する。摂動論的QCD計算は生成断面積を成功裏に記述しているが、重いクォークの回転（スピン）が最終状態のハドロンへとどのように転移するかというメカニズムについては、依然として制約が不十分である。スピン整列の測定は、これらのフラグメンテーションおよび崩壊の動力学を調べるための感度の高いプローブとなる。相対論的高エネルギー重イオン衝突においては、生成される大きな軌道角運動量や強い電磁場がハドロン形成に影響を与える可能性があるため、スピン関連の観測量は特に重要である。しかし、重イオン衝突における媒質誘起効果を分離するためには、固有の生成および崩壊メカニズムを環境効果から切り離すための、精密なプロトン・プロトン（pp）衝突からのベースラインが必要である。

ALICEコラボレーションによる$\sqrt{s} = 13$ TeVでの先行測定では、プロンプト$D^{*+}$中間子（直接生成されたもの）は無偏極状態と一致しており、一方でノンプロンプト$D^{*+}$中間子（ビューティー・ハドロンの崩壊に由来するもの）は弱崩壊の運動学と一致するスピン整列を示すことが示されている。本論文は、これらを用いた知見を、より高い衝突エネルギー（$\sqrt{s} = 13.6$ TeV）を用いたLHC Run 3のデータを用いて拡張し、改良された精度、拡張された運動学的範囲、および新しい参照フレームを用いて、これらのメカニズムを検証するものである。

手法
本解析では、$\sqrt{s} = 13.6$ TeVにおいてALICE実験によって収集された、積分ルミノシティ$6.49 \pm 0.15$ pb$^{-1}$に相当するpp衝突データを利用する。本研究では、$D^{*+} \to D^0 \pi^+ \to K^- \pi^+ \pi^+$の崩壊連鎖を介して中間ラピディティ（$|y| < 0.8$）で再構成された$D^{*+}$中間子（およびその電荷共役）に焦点を当てる。

• 検出器のアップグレード： 本解析は、アップグレードされたALICE検出器、具体的には新しいモノリシック・アクティブ・ピクセル・センサー（MAPS）に基づく内側トラッキング・システム（ITS）およびガス電子倍増器（GEM）タイム・プロジェクション・チェンバー（TPC）を活用している。これらのアップグレードにより、連続読み出し、頂点分解能の向上、および$dE/dx$とTime-of-Flight（TOF）測定による粒子識別（PID）の強化が可能となり、最大2 MHzの相互作用レートでの動作が可能となった。
• 信号抽出と分離： $D^{*+}$候補は、マルチクラスBoosted Decision Tree（BDT）アルゴリズムを用いて選択される。この分類器は、トポロジカルな変数（例：崩壊頂点の距離、インパクトパラメータ）およびPID情報に基づき、組合せ背景事象の抑制と、プロンプト成分とノンプロンプト成分の分離を同時に行う。
• スピン整列の測定： スピン整列は、スピン密度行列の対角要素である$\rho_{00}$によって定量化される。これは、$D^{*+}$静止系における崩壊生成物の角度分布、具体的には極角$\vartheta^*$から抽出される。分布は $dN/d\cos\vartheta^* \propto (1-\rho_{00}) + (3\rho_{00}-1)\cos^2\vartheta^*$ の形式に従う。
• 参照フレーム： 測定は、以下の2つの異なる量子化軸に対して行われる：
  1. ヘリシティ軸： ラボ系におけるベクトル中間子の運動量ベクトルによって定義される。
  2. 生成軸： ビーム方向とベクトル中間子の運動量が作る平面の法線によって定義される。
• プロンプト／ノンプロンプトの分離： 観測される$\rho_{00}$は、プロンプト成分とノンプロンプト成分の線形結合として扱われる。$p_T < 30$ GeV/cでは、純粋な成分を抽出するためにBDTスコアを用いたデータ駆動型の手法を用いて割合が決定される。$p_T > 30$ GeV/cでは、統計量が限られているため、PYTHIA 8 + EvtGenシミュレーションを用いてノンプロンプト成分が制約される。

主な貢献

• 拡張された運動学的範囲： 本解析は、プロンプト$D^{*+}$測定の横運動量（$p_T$）範囲を、以前の制限であった低$p_T$領域を超えて100 GeV/cまで、またノンプロンプト$D^{*+}$については30 GeV/cまで拡張している。
• 初の生成軸測定： 本研究は、生成軸に対する$D^{*+}$のスピン整列の最初の測定結果を提示しており、これはヘリシティ・フレームに対する補完的な視点を提供し、フレーム依存の効果および散乱過程の幾何学を評価するためのものである。
• 高精度なベースライン： アップグレードされた検出器とより大きなRun 3のデータセットを利用することで、本研究は$\sqrt{s} = 13$ TeVの測定と比較して、大幅に向上した統計精度を提供している。

結果

• プロンプト$D^{*+}$中間子： プロンプト$D^{*+}$中間子について測定された$\rho_{00}$の値は、ヘリシティ軸および生成軸の両方において、全$p_T$範囲（3–100 GeV/c）にわたって無偏極の期待値である$1/3$と一致している。これは、pp衝突における直接生成されたチャーム中間子にスピン整列の証拠がないことを示している。
• ノンプロンプト$D^{*+}$中間子： 対照的に、ノンプロンプト$D^{*+}$中間子は$1/3$からの明確な偏差を示す。$\rho_{00}$の値は、ヘリシティ・フレームでは$1/3$よりも系統的に大きく、生成フレームでは$1/3$よりも小さくなっている。この挙動は、弱ビューティー・ハドロン崩壊（$b \to c$遷移）におけるヘリシティ保存の期待と一致しており、PYTHIA 8とEvTGen崩壊パッケージを組み合わせたシミュレーションによって良好に記述される。
• 理論比較： プロンプトの結果は、$e^+e^-$データにチューニングされたスピン依存フラグメンテーション関数（$D_{1LL}$）に基づく理論計算と比較される。データは、約1標準偏差以内でこれらの予測と整合している。ノンプロンプトの結果は、CMSコラボレーションによって観測されたノンプロンプト$J/\psi$および$\psi(2S)$の中間子の偏向パターンと一致しており、これらのケースにおけるスピン整列がスカラーB中間子の崩壊に由来するという仮説を支持している。

意義
本論文は、pp衝突における$D^{*+}$中間子のスピン整列に関する、精密かつ堅牢なベースラインを確立している。プロンプト中間子のスピン整列の欠如を確認し、ノンプロンプト中間子の特定の整列パターンを特徴付けることで、これらの結果は、将来の重イオン衝突研究における潜在的な媒質誘起の修正を、固有のQCDフラグメンテーションおよび弱崩壊効果から分離することを可能にする。生成軸への拡張とより高い$p_T$範囲への拡張は、スピン依存的な重いクォークのフラグメンテーション・モデルに対するより厳格なテストを提供し、複雑な動力学を記述するためのPYTHIA 8 + EvTGenのようなイベント・ジェネレーターの使用を検証するものである。