Heavy  Flavor  and  Quarkonia  Measurements  in  Small  Systems  

Xuan  Li  (LANL)    

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   1  

Outline  

•  MoFvaFon    •  Overview  of  RHIC  and  the  LHC  •  Quarkonium  producFon  in  p(d)+A  collisions:  –  J/ψ,  ψ’  and  ϒ  producFon.  

•  Heavy  flavor  producFon  in  p(d)+A  collisions:  –  Semi-­‐leptonic  decay  measurements.  –  B-­‐hadron  decayed  J/ψ  measurements.  

•  Summary  and  Outlook  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   2  

MoFvaFon  •  Heavy  flavor  producFon  is  a  good  probe  to  study  the  full  

evoluFon  of  the  medium  as  it  is  produced  in  the  early  stage  of  nuclear  collisions  due  to  its  high  mass  (mc/mb>>ΛQCD).  The  heavy  quark  can  traverse  the  whole  evoluFon  of  the  system  as  interacFons  with  the  medium  do  not  change  the  flavor.    

•  Quarkonia  can  break  up  when  passing  through  the  medium  depending  on  the  Fme  spent  inside  the  nucleus  and  interacFons  with  co-­‐movers.  Different  kinemaFcs  (x,  Q2)  can  be  probed  by  different  bound  states.  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   3  

D0

D0

J/ψ

K+

νl

νl

K-

e-/µ-

e+/µ+

e-/µ-

e+/µ+

Open  Heavy  Flavor  producFon   Heavy  Flavor  quarkonia  producFon  

Heavy  flavor  producFon  in  Heavy  Ion  Collisions  

•  Cold  Nuclear  Maber  (CNM)  effects:  –  Nuclear  modificaFon  of  PDFs  (shadowing,  

anF-­‐shadowing,  EMC  effect  etc).  –  Cronin  effect.  –  Energy  loss  of  partons  traversing  the  

nucleus  (IniFal  state).  –  Breakup  of  charmonium  before  exiFng  

the  nucleus.  –  Co-­‐mover  absorpFon.  

•  Hot  nuclear  maber  effects:  –  Energy  loss  of  partons  traversing  the  QGP.  –  Color  screening.  –  Coalescence  of  quarkonia  in  the  QGP.    

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   4  

•  Need  to  measure  mulFple  observables  in  different  processes  to  isolate  the  cold  and  hot  nuclear  maber  effects.  

•  Need  to  invesFgate  the  CNM  effects  through  the  p(d)+A  collisions.  

•  InteracFon  with  the  medium  is  not  well  understood.  

Why  p(d)+Au  collisions  •  Different  x  regions  of  the  nuclear  modified  parton  distribuFon  

(nPDF)  and  different  densiFes  of  the  nuclear  medium  can  be  accessed  by  heavy  flavor  in  different  rapidity  regions.  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   5  

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 50

5

10

15

20

25

d/dch

dN

d

d + Au

200 GeV 0-20%

20-40%

40-60%

60-80%

80-100%

Min-bias

p   A  

y  Forward  Backward   Mid-­‐rapidity   PoS  DIS2013  (2013)  274  

•  Forward  rapidity:  •  Small  x  region  of  the  nuclear  A  PDF  

probes  shadowing  effect.  •  Final  state  producFon  spends  shorter  

Fme  propagaFng  through  the  nucleus  in  lower  parFcle  mulFplicity.  

•  Larger  iniFal  state  parton  energy  loss.  

Why  p(d)+Au  collisions  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   6  

p   A  

y  Forward  Backward   Mid-­‐rapidity  

•  Backward  rapidity:  •  Large  x  region  of  the  nuclear  A  PDF  can  

probe  anF-­‐shadowing  effect.  •  Final  state  producFon  spends  longer  Fme  

propagaFng  through  the  nucleus  in  higher  parFcle  mulFplicity.  

•  Smaller  iniFal  state  parton  energy  loss.  -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

0

5

10

15

20

25

d/dch

dN

d

d + Au

200 GeV 0-20%

20-40%

40-60%

60-80%

80-100%

Min-bias

PoS  DIS2013  (2013)  274  

•  Different  x  regions  of  the  nuclear  modified  parton  distribuFon  (nPDF)  and  different  densiFes  of  the  nuclear  medium  can  be  probed  by  heavy  flavor  in  different  rapidity  regions.  

Overview  of  RHIC  and  LHC  •  High  luminosity  data  of  various  p(d)-­‐nuclear  collisions  

which  can  create  heavy  flavor  probes  have  been  collected  at  RHIC  and  the  LHC.  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   7  

RHIC   LHC  

Quarkonium  producFon  in  p+A  collisions  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   8  

•  Are  there  any  differences  between  different  bound  states  of  quarkonium  inside  the  cold  nuclear  maber?  

c c c cJ/ψ   ψ’  

bbΥ   bb Υ’  

J/ψ  measurement  in  d+Au  collisions  at  RHIC  •  Cronin  effect  (pT  broadening)  is  observed  for  J/ψ  measurements  at  PHENIX.  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   9  

•  The  <pT2>  versus  center  of  mass  energy  from  the  world  data  follows  the  same  trend.  Other  CNM  effect?  

Phys.  Rev.  C  87,  034904  arXiv:1602.02212   [GeV]NNs

210 310

]2>

[(GeV

/c)

2 T<p

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10STAR p+p 2009 |y|<1STAR+PHENIX d+Au 2008 |y|<1PHENIX p+p 2006 |y|<0.35PHENIX d+Au 2008 |y|<0.35NA38 NA51 NA50 p+pE789 p+Au

pCDF p+

ϒ  measurements  in  d+Au  collisions  at  RHIC  

•  Model  including  the  gluon  nPDF  (shadowing),  iniFal  state  parton  energy  loss  and  absorpFon  by  co-­‐movers  can  reasonably  describe  the  data.  

•  Possible  suppression  in    which  may  be  related  with  EMC  effect?    

•  Need  beber  staFsFc  data.  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   10  

ϒy

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

dAu

(1S+

2S+3

S) R

ϒ

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2 (1S+2S+3S)dAuSTAR R

STAR p+p Syst. UncertaintyPHENIXShadowing, EPS09 (Vogt)

)eEnergy Loss (Arleo, PeignEnergy Loss + EPS09

(b)

Phys.  Rev.  Leb.  109,  242301  (2012)    Phys.Leb.  B735  (2014)  127  

d   Au  

J/ψ  measurements  in  p-­‐Pb  collisions  at  ALICE  (LHC)  •  Higher  center  of  mass  energy  at  LHC  accesses  lower  x  region.  

Stronger  cold  nuclear  maber  effect  (gluon  saturaFon)?  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   11  

•  Backward  rapidity:  no  significant  nuclear  effects  on  J/ψ  are  observed.  

•  Mid  and  Forward  rapidity:  J/ψ  suppression  at  low  pT  (pT<5  GeV/c).  •  Forward-­‐y:  largest  suppression,  RpPb  increases  with  pT.    

Backward-­‐y  (J/ψ→  μ+μ-­‐)     Mid-­‐y  (J/ψ→  e+e-­‐)    

Forward-­‐y  (J/ψ→  μ+μ-­‐)    

[JHEP  1506  (2015)  055]    

p   Pb  

ϒ(1s)  measurements  in  p-­‐Pb  collisions  at  LHC  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   12  

ALICE,  Phys.  Leb.  B  740  (2015)  105,  ATLAS-­‐CONF-­‐2015-­‐050  ,LHCb,  JHEP  07(2014)094    

•  ϒ(1S)  RpPb  has  a  comparable  pT  dependence  with  the  prompt  J/ψ  RpPb  in  higher  pT  region  (ATLAS)  as  expected.  

•  ϒ(1S)  RpPb  measured  at  LHC  is  generally  consistent  with  unity  in  different  rapidity  regions.    

•  Does  ϒ(1s)  probes  the  shadowing  or  anF-­‐shadowing  region?  More  data.  

•  How  about  excited  states?  

Explore  the  CNM  effect  via  ψ’    •  Mid-­‐rapidity  ψ’  RdAu  measured  at  PHENIX  in  d+Au  collisions  

has  different  trend  and  magnitude  of  suppression  versus  Ncoll  from  the  J/ψ  results.  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   13  

Number  of  binary  nucleon-­‐nucleon    inelasFc  collision  

PRL  111,  202301  (2013)  

•  Similar  iniFal  state  effect  (shadowing,  energy  loss  etc.)  on  J/ψ  and  ψ’.  

•  IndicaFon  final  state  effects  cause  the  difference.  

•  Can  we  study  this  in  forward/backward  rapidity  and  different  collision  systems?  

RelaFve  raFo  of  ψ’  to  J/ψ  VS  rapidity  •  Centrality  integrated  relaFve  raFo  of  ψ’  to  J/ψ  VS  rapidity  

for  p+Au,  p+Al  and  d+Au  (mid-­‐rapidity).  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   14  

•  The  J/ψ  and  ψ’  have  similar  suppression  at  forward  rapidity.  •  Strong  relaFve  suppression  is  observed  at  back  rapidity.  

d   Au/Al  

Possible  contribuFons  to  the  differenFal  suppression  •  Time  spent  inside  the  nucleus  

–  Longer  Fme  and  path  length  spent  by  the  cc-­‐bar  in  Au-­‐  (Al-­‐)  going  direcFon  than  the  p-­‐  going  direcFon.  

   

•  Co-­‐movers  absorpFon?  –  Charmonium  can  break  up  with  the  presence  of  co-­‐movers.  –  Higher  parFcle  density  in  the  Au-­‐  (Al-­‐)  going  direcFon  may  cause  larger  suppression.  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   15  

–  According  to  the  crossing  Fme  τ  dependent  model  fit  on  world  wide  data  (PRC  87  (2013)  054910),  very  small  contribuFons.    

–  This  effect  can  not  explain  the  backward  rapidity  suppression.  

RelaFve  raFo  of  ψ’  to  J/ψ  VS  rapidity  •  Centrality  integrated  relaFve  raFo  of  ψ’  to  J/ψ  VS  rapidity  for  p+Au,  p+Al  and  d+Au  (mid-­‐rapidity).  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   16  

•  Result  is  consistent  within  significant  staFsFcal  uncertainFes  with  co-­‐mover  dissociaFon  model.  

E.  Ferreiro,  PLB    749  (2015)  

Comparison  with  the  LHC  results  •  Similar  suppression  trend  for  the  rapidity  dependence.  More  

suppression  in  LHC  especially  at  forward  rapidity?  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   17  

LHCb,  QM15  ALICE,  JHEP  12  (2014)  

•  Larger  co-­‐mover  contribuFon  at  the  LHC?  Gluon  saturaFon  changes  spectroscopic  charmonium  states?  

JHEP  12  (2014)  073  

Heavy  flavor  producFon  in  p(d)+A  collisions  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   18  

Heavy  flavor  producFon    

•  Larger  staFsFcs  with  higher  background  compared  to  quarkonium  measurements.  

•  Flavor  dependent  energy  loss  via  charm  and  bobom  separaFon?  

Open  HF  semi-­‐leptonic  decay  in  d+Au  collisions  at  RHIC  

•  Forward  rapidity:  Similar  suppression  indicates  similar  iniFal  state  effects  (shadowing,  energy  loss)  for  J/ψ  and  open  charm  producFon.  

•  Mid  and  Backward  rapidity:  Different  trends  between  J/ψ  and  open  heavy  flavor.  Final-­‐state  effects  like  co-­‐mover  absorpFon  can  not  be  neglected  for  J/ψ  producFon.  

RHIC&AGS2016   19  Xuan  Li  (LANL)  

PRL  109,  242301  (2012),  PRL  112,  252301  (2014)  

d   Au  

Backward-­‐y   Mid-­‐y  Forward-­‐y    

Open  HF  semi-­‐leptonic  decay  in  d+Au  collisions  at  RHIC  

•  Forward  rapidity:  Similar  suppression  indicates  similar  iniFal  state  effects  (shadowing,  energy  loss)  for  J/ψ  and  open  charm  producFon.  

•  Mid  and  Backward  rapidity:  Different  trends  between  J/ψ  and  open  heavy  flavor.  Final-­‐state  effects  like  co-­‐mover  absorpFon  can  not  be  neglected  for  J/ψ  producFon.  Enhancement  of  open  heavy  flavor  can  be  explained  by  incoherent  mulFple  scabering  which  gives  the  Cronin  type  behavior.      

RHIC&AGS2016   20  Xuan  Li  (LANL)  

d   Au  

Mid-­‐y  Forward-­‐y    

Phys. Lett. B 740 (2015) 23

PRL  109,  242301  (2012),  PRL  112,  252301  (2014)  

Backward-­‐y  Mid-­‐y  

Open  HF  semi-­‐leptonic  decay  in  p+Pb  collisions  at  LHC  

•  Forward  and  mid  rapidity:  RpPb  consistent  with  unity.  •  Backward  rapidity:  slightly  larger  than  unity  for  2  <  pT  <  4  

GeV/c.    •  Data  described  within  uncertainFes  by  models  including  

shadowing,  incoherent/coherent  mulFple  scabering  and  kT  broadening.  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   21  

Phys.  Leb.  B  754  (2016)  81-­‐93  

Forward-­‐y    Backward-­‐y  Mid-­‐y  

p   Pb  

B-­‐hadron  decayed  J/ψ  measured  in  p+Pb  collisions  at  LHC  

•  No  significant  suppression  or  enhancement  for  the  kinemaFcs  range  of  |y*|  <  1.5  and  10  <pT<  30  GeV.    

•  No  indicaFon  of  significant  cold  nuclear  maber  effects.  •  What  about  the  low  pT  region?  RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   22  

ATLAS-­‐CONF-­‐2015-­‐023  

p   Pb  

B-­‐meson  decayed  J/ψ  measurements  at  RHIC  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   23  

•  The  B-­‐meson  decayed  J/ψ  fracFon  does  not  have  the  center  of  mass  energy  dependence  for  J/ψ  pT  <  5GeV/c  region.    

(GeV/c)T

pψInclusive J/0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

frac

tion

ψB

to J/

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

fractionψRun12 510 p+p B to J/

) collisionsp fraction in p+p (ψB to J/

=510 GeV 1.2<|y|<2.2NNsPHENIX p+p

=1.96 TeV |y|<0.6NNs pCDF p+

=7 TeV |y|<0.9NNsALICE p+p

=7 TeV 1.6<|y|<2.4NNsCMS p+p

=13 TeV 4.0<y<4.5NNsLHCb p+p

fractionψRun12 510 p+p B to J/

PH ENIXpreliminary

B-­‐meson  decayed  J/ψ  measurements  at  RHIC  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   24  

•  No  center  of  mass  dependence  of  B-­‐meson  decayed  J/ψ  fracFon  in  the  p+p  baseline  measurement.  

•  Suppression  of  nuclear  modificaFon  factor  measured  in  200  GeV  Cu+Au  collisions  is  found.  

•  Analysis  in  p+A  data  is  ongoing.  

(TeV)NNsCenter of mass energy -110 1 10

frac

tion

ψB

to J

/

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

fractionψRun12 510 p+p B to J/

) collisionsp fraction in p+p (ψB to J/

=510 GeV 1.2<|y|<2.2NNsPHENIX p+p

=1.96 TeV |y|<0.6NNs pCDF p+

=7 TeV |y|<0.9NNsALICE p+p

=7 TeV 1.6<|y|<2.4NNsCMS p+p

=13 TeV 4.0<y<4.5NNsLHCb p+p

fractionψRun12 510 p+p B to J/

PH ENIXpreliminary

2012  200  GeV  Cu+Au  collisions  

Summary    •  Shadowing,  coherent  parton  energy  loss  and  the  co-­‐mover  absorpFon  models  can  describe  the  J/ψ  and  ϒ  RdAu  results  at  RHIC.    

•  Shadowing  and  energy  loss  models  are  in  fair  agreement  with  J/ψ  measurements  at  the  LHC.  Weak  CNM  effect  on  ϒ(1s)  measured  at  the  LHC.  

•  DifferenFal  suppression  of  ψ’  to  J/ψ  relaFve  raFo  measured  at  PHENIX  in  p+Al  and  p+Au  data  show  strong  evidence  of  final  state  effects.  Further  suppression  of  ψ’  to  J/ψ  relaFve  raFo  is  seen  at  the  LHC.  

•  Rapidity  dependent  nuclear  modificaFon  of  open  heavy  flavor  is  found  at  RHIC.  Smaller  CNM  effects  are  observed  at  the  LHC.  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   25  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   26  

Outlook  

•  Large  p(d)+A  data  sets  in  various  center  of  mass  energy  collected  at  RHIC  and  the  LHC  provide  opportuniFes  to  study  – Quarkonia  (J/ψ,  ψ’,  ϒ...  )  measurements  with  beber  precision  to  understand  not  only  the  iniFal  state  but  also  the  final  state  CNM  effects.  

– Measurements  of  B-­‐hadron  decayed  J/ψ  and  D/B  separated  single  elecFons/muons  in  p+A  collisions  with  higher  staFsFcs  will  verify  the  flavor  dependent    energy  loss  in  cold  nuclear  maber.  

•  More  results  to  come  to  improve  the  understanding  of  cold  nuclear  effects.  

Backup  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   27  

J/ψ  measurement  in  d+Au  collisions  at  RHIC  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   28  Phys.  Rev.  Leb.  98,  232301  (2007)    

•  J/ψ  producFon  at  200  GeV  is  dominated  by  gluon  fusion.  Data  provide  a  constraint  on  the  gluon  nPDF  in  the  accessed  x  region.    

•  Gradual  increasing  with  pT  in  all  rapidiFes,  which  is  consistent  with  Cronin  effect.  

•  Overall  suppression  of  RdAu  is  rapidity  dependent.  

Backward  rapidity  

Mid  rapidity  

Forward  rapidity  

The  Forward  Vertex  Detector  (FVTX)  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   29  

Sensor HDIHDI

FPHX Chips (13 per column)

Mini-strips are oriented to approximate an arc

! Sensor" 2 columns of strips" 1664 strips per column" strip length 2.8 to 11.2 mm" 75 micron spacing" 48 wedges per disk (7.5˚/

sensor, 15˚/wedge)" 0.5 mm overlap with adjacent

wedges

! FPHX Chip" 1 column readout" 128 channels " ~ 70 microns channel spacing" Dimensions –9mm x 1.2 mm

Forward  J/ψ  and  ψ’  measurement  in  p+p  collision  •  With  improved  mass  resoluFon  provided  by  FVTX,  clear  J/ψ  

and  ψ’  idenFficaFon  via  di-­‐muon  channel  (1.2<|y|<2.2)  in  run15  200  GeV  p+p  data.  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   30  

•  The  forward  ψ’  to  J/ψ  raFo  measured  in  p+p  collisions  is  consistent  with  the  global  data.      

p   p  

How  about  asymmetric  nuclear  collisions?  •  In  200  GeV  p+Al  collisions.  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   31  

p   Al  

•  Even  with  raw  data,  clearly  the  ψ’  yield  is  suppressed  relaFve  to  J/ψ  in  the  Al  going  direcFon.  

How  about  asymmetric  nuclear  collisions?  •  In  200  GeV  p+Au  collisions.  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   32  

p   Au  

•  Even  with  raw  data,  clearly  the  ψ’  yield  is  suppressed  relaFve  to  J/ψ  in  the  Au  going  direcFon  as  well.  

p+A  pT  dependence  

Xuan  Li  (LANL)   33  

Low  pT,  backwards  rapidity  ψ(2s)  yields  consistent  with  ZERO.    

RHIC&AGS2016  

Overview  of  the  PHENIX  detector  •  The  newly  installed  silicon  vertex  detectors:  VTX(since  2011)  and  

FVTX(since  2012)  make  the  new  heavy  flavor  measurement  possible  in  p+p,  p+Al,  p+Au,  Cu+Au  and  Au+Au  collisions.    

•  VTX:    –  With  |y|<1.2  and  φ≈2π  coverage.  –  provide  precise  vertex  and  tracking  

measurements  for  D,BàX+e.  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   34  

•  FVTX:    –  With  1.2<|y|<2.2  and  φ=2π  coverage.  –  provide  precise  tracking  and  improved  di-­‐

muon  mass  resoluFon  measurements  for  J/ψ,  ψ’  àμ+μ,-­‐BàJ/ψ  and  D,  B  separaFon.  

MuTr:1.2<|y|<2.2,  φ=2π    

MuID:1.2<|y|<2.2,  φ=2π    

p,  Cu,  Au  

p,  Au,  Al  

Can  we  measure  B  meson  in  forward  rapidity?    B-­‐>J/ψ-­‐>μ+μ-­‐  

RHIC&AGS2016   Xuan  Li  (LANL)   35  

J/ψ    

Prompt  hadron  

μ+  

μ-­‐  

J/ψ    

B  

μ+  

μ-­‐  

DCA  

DCA R

// z

FVTX

Tracks  from  decayed  parFcles  have  asymmetric  projecFon.  

•  B  mesons  measured  in  the  forward/backward  rapidity  with  longer  decay  length  may  probe  different  QGP  evoluFon  stage  in  heavy  ion  collisions  from  the  mid-­‐rapidity  region.  

•  Different  DCAR  shapes  of  prompt  parFcles  and  decayed  parFcles  make  the  separaFon  of  B  decayed  J/ψ  and  prompt  J/ψ  feasible.