Recent results on open heavy flavor production ($pp$, $p$Pb, PbPb) from LHCb

技术摘要：LHCb 关于开放重味强子产生的最新结果

问题与动机
由于重夸克质量较大，它们在重离子碰撞的早期阶段产生，并随后穿越整个 QCD 介质的演化过程。因此，开放重味强子是理解介质输运性质以及夸克中性化其色荷形成强子的机制的关键探针。虽然基于因子化定理的微扰 QCD 计算通常能描述强子对撞机中的重味强子产生，但特定区域仍有待深入探索。LHCb 实验通过利用其独特的向前伪快度覆盖范围（$2 < \eta < 5$）来探测低 Bjorken-$x$（$10^{-5}$）下的部分子分布函数（PDF），并通过 SMOG（气体覆盖测量系统）固定靶实验来获取高 Bjorken-$x$（反屏蔽区）的信息。该计划覆盖了从之前的固定靶实验到顶端 RHIC 能量之间的能量范围，为解释 PbPb 测量结果以及研究冷核物质（CNM）效应（如核 PDF 修改和能量损失）提供了必要的基准。

方法论
本文展示了一系列利用 LHCb 探测器在不同质心能量下的 $pp$、$p$Pb 和 $p$Ne 碰撞系统的测量结果。

• 固定靶 $p$Ne 碰撞： 使用 2017 年数据在 $\sqrt{s_{NN}} = 68.5$ GeV 下测量了 $D^0$ 介子产生情况，积分亮度为 $21.7 \pm 1.4$ nb$^{-1}$。微分截面作为快速度（$y^*$）和横动量（$p_T$）的函数进行了分析。
• **高多重度 $pp$碰撞：** 在$\sqrt{s} = 13$ TeV 的 $pp$碰撞中测量了$\Lambda_b^0/B^0$截面比。分析根据归一化多重度（$N_{\text{VELO}}^{\text{tracks}}$）对事件进行分类，该值由顶点探测器（VELO）中重建的带电粒子轨迹数定义。
• $p$Pb 碰撞： 在 $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV 和 $8.16$ TeV 下，分别在向前（质子束向探测器方向）和向后（铅束向探测器方向）构型中测量了 $D^+$ 和 $D_s^+$ 介子的瞬时产生情况。关键观测物理量包括核修正因子（$R_{p\text{Pb}}$）和 $D_s^+/D^+$ 截面比随带电粒子密度（$dN_{ch}/d\eta$）的变化关系。

主要结果

1. $p$Ne 中的 $D^0$ 产生： 将测得的 $D^0$ 介子微分截面与包含各种 CNM 效应的理论模型进行了比较。数据与包含内禀粲（IC）贡献（特别是 Vogt 模型）及包含屏蔽效应的模型吻合良好。包含 1% IC 和 10% 再结合（MS）的模型也与数据紧密一致。然而，标准的 FONLL 和 PHSD 计算未能重现观测到的 $p_T$ 分布，尽管它们在快速度分布上表现出更好的符合度。
2. $pp$中的$\Lambda_b^0/B^0$ 比率： 在 13 TeV 的高多重度 $pp$碰撞中，$\Lambda_b^0/B^0$截面比随事件多重度显著增加。在最低多重度区间，该比率与在$e^+e^-$ 碰撞中观察到的值相匹配。包含并合机制（coalescence mechanism）的理论模型（EPOS4HQ）比不包含该机制或仅依赖统计强子化模型的描述更为准确。
3. $p$Pb 中的核修正： 在 $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV 时，向前快速度区域 $D$ 介子的核修正因子 $R_{p\text{Pb}}$ 与 nPDF 和 CGC 计算一致。在向后区域，$D^+$ 的 $R_{p\text{Pb}}$ 观测值低于理论预测。
4. $D_s^+/D^+$ 比率与多重度： 在 $\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV 时，$D_s^+/D^+$ 截面比在所有 $p_T$ 区间内均随带电粒子密度（$dN_{ch}/d\eta$）增加。这一趋势在向前和向后碰撞中是一致的，表明该比率与快速度无关，但与粒子密度强相关。虽然 EPOS4HQ 计算在绝对数据值上存在一些差异，但它成功捕捉到了多重度相关的趋势。

意义与展望
这些测量结果为理解核结构和重夸克强子化机制（特别是关于多重度和 CNM 效应的作用）提供了新的见解。结果强调了并合机制在描述高多重度环境下重子-介子比值中的重要性，并揭示了理论描述在向后 $p$Pb 碰撞中的偏差。

展望 LHC Run 3，论文指出固定靶计划已通过 SMOG2 气体存储单元进行了升级，该单元可将局部气体压力提高多达两个数量级，并实现与对撞模式的并行数据采集，从而显著提高亮度。此外，具有更高粒度的追踪探测器升级将允许重建中心度推至 30% 的 PbPb 事件。这些改进预计将极大地造福该领域的未来研究。