Journal Article GSI-2022-00108

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Soft-Dielectron Excess in Proton-Proton Collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

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2021
APS College Park, Md.

Physical review letters 127(4), 042302 () [10.1103/PhysRevLett.127.042302]

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Report No.: CERN-EP-2020-095; arXiv:2005.14522

Abstract: A measurement of dielectron production in proton-proton (pp) collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV, recorded with the ALICE detector at the CERN LHC, is presented in this Letter. The data set was recorded with a reduced magnetic solenoid field. This enables the investigation of a kinematic domain at low dielectron invariant mass $m_{\rm ee}$ and pair transverse momentum $p_{\rm T,ee}$ that was previously inaccessible at the LHC. The cross section for dielectron production is studied as a function of $m_{\rm ee}$, $p_{\rm T,ee}$, and event multiplicity ${\rm d} N_{\rm ch}/{\rm d} \eta$. The expected dielectron rate from hadron decays, called hadronic cocktail, utilizes a parametrization of the measured $\eta/\pi^0$ ratio in pp and proton-nucleus (p-A) collisions, assuming that this ratio shows no strong dependence on collision energy at low transverse momentum. Comparison of the measured dielectron yield to the hadronic cocktail at $0.15 < m_{\rm ee} < 0.6$ GeV/$c^2$ and for $p_{\rm T,ee} < 0.4$ GeV/$c$ indicates an enhancement of soft dielectrons, reminiscent of the 'anomalous' soft-photon and -dilepton excess in hadron-hadron collisions reported by several experiments under different experimental conditions. The enhancement factor over the hadronic cocktail amounts to $1.61\pm 0.13\,(\rm{stat.})\pm 0.17\,(\rm{syst., data}) \pm 0.34\,(\rm{syst., cocktail})$ in the ALICE acceptance. Acceptance-corrected excess spectra in $m_{\rm ee}$ and $p_{\rm T,ee}$ are extracted and compared with calculations of dielectron production from hadronic bremsstrahlung and thermal radiation within a hadronic many-body approach.

Keyword(s): p p: scattering ; bremsstrahlung: hadronic ; transverse momentum: low ; p nucleus: scattering ; radiation: thermal ; hadron: decay ; hadron hadron: scattering ; CERN LHC Coll ; enhancement ; ALICE ; many-body problem ; parametrization ; multiplicity ; acceptance ; kinematics ; experimental results ; 13000 GeV-cms/nucleon

Classification:

Note: Phys. Rev. Lett. 127, 042302 (2021). 20 pages, 4 captioned figures, authors from page 15, published version, figures at http://alice-publications.web.cern.ch/node/6295 "Published by the American Physical Society under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article’s title, journal citation, and DOI."

Contributing Institute(s):
  1. ALICE (ALI)
  2. Detektorlabor (DTL)
  3. IT (CIT)
  4. ExtreMe Matter Institute, EMMI (EXM)
  5. Collaboration CERN: ALICE (ALICE@CERN)
Research Program(s):
  1. 612 - Cosmic Matter in the Laboratory (POF4-612) (POF4-612)
  2. HGS-HIRe - HGS-HIRe for FAIR (HGS-HIRe) (HGS-HIRe)
  3. SUC-GSI-Heidelberg - Strategic university cooperation GSI-U Heidelberg (SUC-GSI-HE) (SUC-GSI-HE)
  4. SUC-GSI-Frankfurt - Strategic university cooperation GSI-U Frankfurt/M (SUC-GSI-FR) (SUC-GSI-FR)
  5. SUC-GSI-Darmstadt - Strategic university cooperation GSI-TU Darmstadt (SUC-GSI-DA) (SUC-GSI-DA)
Experiment(s):
  1. LHC: ALICE

Appears in the scientific report 2021
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EMMI

 Record created 2022-01-17, last modified 2023-10-15