Measurement of the prompt χc1 and χc2 polarizations at CMS

Abstract

Die Bildung von Bindungszuständen aus Quarks, sogenannte Hadronen, durch die starke Wechselwirkung ist noch nicht vollständig verstanden. Quarkonia sind Bindungszustände aus einem Quark und seinen Antiquark (qq) und stellen ideale Versuchsobjekte zur Untersuchung der Produktionsmechanismen von Hadronen dar. In der momentan gängigen theoretischen Beschreibung im Zuge der Nicht-Relativistischen QuantenChromodynamik (NRQCD) wird die Entstehung von Quarkonia in die Entstehung eines anfänglichen qq Paares und dessen darauf folgende Entwicklung zu einem gebundenen Zustand faktorisiert. Während der erste Schritt im Rahmen von perturbativen Methoden der QCD berechenbar ist, werden für den zweiten Schritt experimentelle Messungen der Produktionswechselwirkungsquerschnitte und der Polarisation von Quarkonia benötigt. Seit dem Start des Large Hadron Collider (LHC) Programmes sind eine Vielzahl an solchen Quarkonium Messungen veröffentlicht worden. Die Eigenschaften der S-Wellen Zustände sind mittlerweile, vor allem bei zentraler Rapidität und hohen transversen Impulsen, sehr gut vermessen. Andererseits existieren nur wenige experimentelle Resultate für P-Wellen Zustände. Insbesondere die Polarisation dieser Zustände wurde bisher nicht gemessen. Phänomenologische Studien haben, aufbauend auf den veröffentlichten Resultaten der LHC Experimente, überraschend einfache Muster in der Entstehung von Quarkonia gefunden. Diese Muster befinden sich im krassen Gegensatz zu den komplexen Mischungen aus Prozessen die in der NRQCD berücksichtigt werden. Trotzdem stimmen Berechnungen und Messungen sehr gut überein. Die Studien machen eine klare Vorhersage für die Polarisation der c1 und c2 Mesonen: Sie sind groß und vor allem entgegengesetzt. In dieser Dissertation wird die erste Polarisationsmessung der prompten c1 und c2 Mesonen präsentiert. Dafür werden Daten verwendet die 2012 vom CMS experiment am LHC in Proton-Proton Kollissionen bei einer Schwerpunktsenergie von s = 8 TeV gesammelt wurden und einer integrierten Luminosität von 19.1 fb1 entsprechen. Die c Mesonen werden über ihren Strahlungszerfall c J/ rekonstruiert. Hierbei, wird das Photon verwendet um zwischen c1 und c2 Zuständen zu unterscheiden. Eine Messung der Verhältnisse der Produktionswechselwirkungsquerschnitte der c2 im Verglich mit den c1 Zuständen als Funktion des polaren und azimuthalen Winkels des Myonzerfalles des J/ wird verwendet um die relative Polarisation zu bestimment. Die Parameter (c2) (c1) und (c2) (c1), zusammen mit unteren Grenzen für den Parameter (c1), werden in drei Bereichen des transversen Impulses des J/, 812, 1218 und 1830 GeV, gemessen. Für den azimuthalen Polarisationsunterschied, werden keine signifikant von Null verschiedene Werte gemessen. Die Resultate für , hingegen, deuten auf starke und gegensätzliche polare Polarisationen hin. Vergleiche der Messungen mit analytischen Kurven zeigen, dass ein unpolariertes Szenario, in dem beide Zustände die gleiche Polarisation aufweisen, unwahrscheinlich ist, während die Messungen mit den Vorhersagen auf Basis der NRQCD übereinstimmt.

The process of how quarks are bound into hadrons by the strong interaction is not yet fully understood. Quarkonia, bound states of a heavy quark and its antiquark (qq), are ideal probes to study hadron formation. In the currently prevalent theoretical framework of Non-Relativistic Quantum Chromodynamics (NRQCD) the production of quarkonia is factorized into two separate steps, the formation of an initial qq pair and its subsequent evolution into the bound quarkonium state. While the first part can be calculated within perturbative QCD, the second step depends on inputs from experiments, quarkonium cross section and polarization measurements. With the advent of the Large Hadron Collider (LHC) physics program a multitude of quarkonium cross section and polarization measurements has recently become available. While the cross sections and polarizations of all S-wave states are by now well measured, especially at mid-rapidity and high transverse momenta, experimental results on P-wave states are scarce. In particular, no measurements of the polarization for any P-wave state exists. Phenomenological studies using the published results of the LHC experiments have observed remarkably simple patterns in the production of the studied quarkonia. These are in striking contrast with the complexity of the mixture of processes that are considered in the NRQCD approach. Nevertheless, calculations made within the NRQCD framework are able to reproduce the measurements very well. This seeming disparity between the simplicity of the data and the complexity of the theory comes with a clear-cut prediction, the polarizations of the c1 and c2 mesons should be large and, more importantly, opposite. This dissertation presents the first measurement of the polarizations of the prompt c1 and c2 mesons using data collected in 2012 by the CMS experiment at the LHC in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of s = 8 TeV corresponding to a total integrated luminosity of 19.1 fb1 . The c mesons are reconstructed via their radiative c J/ decay, where the photon is used to identify the c1 and c2 states. A measurement of the relative polarization in the helicity frame is performed via the analysis of c2 over c1 cross section ratios as a function of the polar and azimuthal angle of the dimuon decay of the associated J/. The parameters (c2) (c1) and (c2) (c1) are reported together with lower bounds for the parameter (c1) in three ranges of J/ transverse momentum, 812, 1218 and 1830 GeV. While no significant deviation from zero is found for the azimuthal anisotropy dif- ference, , the results for suggest strong and opposite polar anisotropies for the prompt c1 and c2 mesons. A comparison of the measured cross section ratios with the expected analytic shapes reveals that the measurement disfavors the unpolarized scenario, where both states have the same polarization, but is in agreement with the NRQCD prediction.