Journal Article GSI-2024-00165

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Charm production and fragmentation fractions at midrapidity in pp collisions at $ \sqrt{\textrm{s}} $ = 13 TeV

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2023
SISSA [Trieste]

Journal of high energy physics 12(12), 86 () [10.1007/JHEP12(2023)086]

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Report No.: CERN-EP-2023-162; arXiv:2308.04877

Abstract: Measurements of the production cross sections of prompt D$^{0}$, D$^{+}$, D$^{*+}$, $ {\textrm{D}}_{\textrm{s}}^{+} $, $ {\Lambda}_{\textrm{c}}^{+} $, and $ {\Xi}_{\textrm{c}}^{+} $ charm hadrons at midrapidity in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV with the ALICE detector are presented. The D-meson cross sections as a function of transverse momentum (p$_{T}$) are provided with improved precision and granularity. The ratios of p$_{T}$-differential meson production cross sections based on this publication and on measurements at different rapidity and collision energy provide a constraint on gluon parton distribution functions at low values of Bjorken-x (10$^{−5}$–10$^{−4}$). The measurements of $ {\Lambda}_{\textrm{c}}^{+} $ ($ {\Xi}_{\textrm{c}}^{+} $) baryon production extend the measured p$_{T}$ intervals down to p$_{T}$ = 0(3) GeV/c. These measurements are used to determine the charm-quark fragmentation fractions and the $ \textrm{c}\overline{\textrm{c}} $ production cross section at midrapidity (|y| < 0.5) based on the sum of the cross sections of the weakly-decaying ground-state charm hadrons D$^{0}$, D$^{+}$, $ {\textrm{D}}_{\textrm{s}}^{+} $, $ {\Lambda}_{\textrm{c}}^{+} $, $ {\Xi}_{\textrm{c}}^0 $ and, for the first time, $ {\Xi}_{\textrm{c}}^{+} $, and of the strongly-decaying J/ψ mesons. The first measurements of $ {\Xi}_{\textrm{c}}^{+} $ and $ {\Sigma}_{\textrm{c}}^{0,++} $ fragmentation fractions at midrapidity are also reported. A significantly larger fraction of charm quarks hadronising to baryons is found compared to e$^{+}$e$^{−}$ and ep collisions. The $ \textrm{c}\overline{\textrm{c}} $ production cross section at midrapidity is found to be at the upper bound of state-of-the-art perturbative QCD calculations.[graphic not available: see fulltext]

Keyword(s): p p: colliding beams ; parton: distribution function ; meson: production ; D0 ; D+ ; D*(2010)+ ; D/s+ ; Lambda/c+ ; Xi/c+ ; charm: ground state ; quantum chromodynamics: perturbation theory ; charm: pair production ; charm: fragmentation ; baryon: production ; rapidity: difference ; p p: scattering ; fragmentation function ; hadron: production ; ALICE ; CERN LHC Coll ; hadron: transverse momentum ; quark ; gluon ; differential cross section: ratio ; differential cross section: measured ; transverse momentum dependence ; experimental results ; 13000 GeV-cms ; Hadron-Hadron Scattering ; Heavy Quark Production ; QCD

Classification:

Note: JHEP 12 (2023) 086. 47 pages, 13 captioned figures, 7 tables, authors from page 42, published version, figures at http://alice-publications.web.cern.ch/node/9560. This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC-BY 4.0), which permits any use, distribution and reproduction in any medium, provided the original author(s) and source are credited. Funded by SCOAP3

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-Darmstadt - Strategic university cooperation GSI-TU Darmstadt (SUC-GSI-DA) (SUC-GSI-DA)
  4. SUC-GSI-Frankfurt - Strategic university cooperation GSI-U Frankfurt/M (SUC-GSI-FR) (SUC-GSI-FR)
  5. STRONG-2020 - The strong interaction at the frontier of knowledge: fundamental research and applications (824093) (824093)
Experiment(s):
  1. LHC: ALICE

Appears in the scientific report 2023
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Charm production and fragmentation fractions at midrapidity in pp collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV
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