Measurement of the $${\eta _{c}} (1S)$$ production cross-section in $$p $$ $$p $$ collisions at $$\sqrt{s} = 13$$ $$\, \text {TeV}$$
R. Aaij, C. Abellán Beteta, T. Ackernley, B. Adeva, M. Adinolfi, H. Afsharnia, C. A. Aidala, S. Aiola, Z. Ajaltouni, S. Akar, P. Albicocco, J. Albrecht, F. Alessio, M. Alexander, A. Alfonso Albero, G. Alkhazov, P. Álvarez Cartelle, A. A. Alves, S. Amato, Y. Amhis, L. An, L. Anderlini, G. Andreassi, M. Andreotti, F. Archilli, P. d’Argent, J. Arnau Romeu, A. Artamonov, M. Artuso, K. Arzymatov, E. Aslanides, M. Atzeni, B. Audurier, S. Bachmann, J. J. Back, S. Baker, V. Balagura, W. Baldini, А. В. Баранов, R. J. Barlow, S. Barsuk, W. Barter, M. Bartolini, F. Baryshnikov, G. Bassi, V. Batozskaya, B. Batsukh, A. Battig, V. Battista, A. Bay, M. Becker, F. Bedeschi, I. Bediaga, A. Beiter, L. J. Bel, V. Belavin, S. Belin, N. Beliy, V. Bellée, K. Belous, I. Belyaev, E. Ben-Haim, G. Bencivenni, S. Benson, S. Beranek, A. Berezhnoy, R. Bernet, D. Berninghoff, H. C. Bernstein, E. Bertholet, A. Bertolin, C. Betancourt, F. Betti, M. O. Bettler, M. van Beuzekom, Ia. Bezshyiko, S. Bhasin, J. Bhom, M. S. Bieker, S. Bifani, P. Billoir, A. Birnkraut, A. Bizzeti, M. Bjørn, Michele Piero Blago, T. Blake, F. Blanc, S. Blusk, D. Bobulska, V. Bocci, O. Boente García, T. Boettcher, A. Boldyrev, A. Bondar, N. Bondar, S. Borghi, M. Borisyak, M. Borsato, J. T. Borsuk, M. Boubdir
Abstract
Abstract Using a data sample corresponding to an integrated luminosity of 2.0 $$\, \text {fb} ^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mspace/><mml:msup><mml:mtext>fb</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math> , collected by the LHCb experiment, the production of the $${\eta _{c}} (1S)$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math> state in proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of $$\sqrt{s} =13$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mi>s</mml:mi></mml:msqrt><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>13</mml:mn></mml:mrow></mml:math> $$\, \text {TeV}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mspace/><mml:mtext>TeV</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> is studied in the rapidity range $$2.0< y < 4.5$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>2.0</mml:mn><mml:mo><</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo><</mml:mo><mml:mn>4.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math> and in the transverse momentum range $$6.5< p_{\mathrm {T}} < 14.0 \, \text {GeV} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>6.5</mml:mn><mml:mo><</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msub><mml:mo><</mml:mo><mml:mn>14.0</mml:mn><mml:mspace/><mml:mtext>GeV</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> . The cross-section for prompt production of $${\eta _{c}} (1S)$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math> mesons relative to that of the $${J /\psi }$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:math> meson is measured using the $$p $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math> $$\overline{{p}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:math> decay mode and is found to be $${\sigma _{{\eta _{c}} (1S)}/\sigma _{{{J /\psi }}} = 1.69 \pm 0.15 \pm 0.10 \pm 0.18}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.69</mml:mn><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>0.15</mml:mn><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>0.10</mml:mn><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>0.18</mml:mn></mml:mrow></mml:math> . The quoted uncertainties are, in order, statistical, systematic and due to uncertainties on the branching fractions of the $${{J /\psi }} \!\rightarrow {p} {\overline{{p}}} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mspace/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math> and $${\eta _{c}} \!\rightarrow {p} {\overline{{p}}} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mspace/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math> decays. The prompt $${\eta _{c}} (1S)$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math> production cross-section is determined to be $${\sigma _{{\eta _{c}} (1S)} = 1.26 \pm 0.11\pm 0.08\pm 0.14 \,\upmu \text {b}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.26</mml:mn><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>0.11</mml:mn><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>0.08</mml:mn><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>0.14</mml:mn><mml:mspace/><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mtext>b</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> , where the last uncertainty includes that on the $${J /\psi }$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:math> meson cross-section. The ratio of the branching fractions of $$b $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math> -hadron decays to the $${\eta _{c}} (1S)$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math> and $${J /\psi }$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:math> states is measured to be $${{\mathcal {B}} _{{b} \!\rightarrow {\eta _{c}} X}/{\mathcal {B}} _{{b} \!\rightarrow {{J /\psi }} X} = 0.48 \pm 0.03 \pm 0.03 \pm 0.05}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mspace/><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mspace/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.48</mml:mn><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>0.03</mml:mn><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>0.03</mml:mn><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>0.05</mml:mn></mml:mrow></mml:math> , where the last uncertainty is due to those on the branching fractions of the $${{J /\psi }} \!\rightarrow {p} {\overline{{p}}} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mspace/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math> and $${\eta _{c}} \!\rightarrow {p} {\overline{{p}}} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mspace/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math> decays. The difference between the $${J /\psi }$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:math> and $${\eta _{c}} (1S)$$<