skip to main content
OSTI.GOV title logo U.S. Department of Energy
Office of Scientific and Technical Information

Title: Soft-Dielectron Excess in Proton-Proton Collisions at s = 13 TeV

Journal Article · · Physical Review Letters
; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; more »; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; « less

A measurement of dielectron production in proton-proton (pp) collisions at √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 (ee) invariant mass mee and pair transverse momentum pT,ee that was previously inaccessible at the LHC. The cross section for dielectron production is studied as a function of mee, pT,ee, and event multiplicity dNch/dη. The expected dielectron rate from hadron decays, called hadronic cocktail, utilizes a parametrization of the measured η/π0 ratio in pp and proton-nucleus 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 < mee < 0.6 GeV/c2 and for pT,ee < 0.4 GeV/c indicates an enhancement of soft dielectrons, reminiscent of the “anomalous” soft-photon and soft-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 ± 0.13(stat) ± 0.17(syst,data) ± 0.34(syst,cocktail) in the ALICE acceptance. Acceptance-corrected excess spectra in mee and pT,ee are extracted and compared with calculations of dielectron production from hadronic bremsstrahlung and thermal radiation within a hadronic many-body approach.

Research Organization:
Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Oak Ridge, TN (United States)
Sponsoring Organization:
USDOE
Contributing Organization:
A Large Ion Collider Experiment Collaboration
Grant/Contract Number:
AC05-00OR22725
OSTI ID:
1809900
Alternate ID(s):
OSTI ID: 1822023
Journal Information:
Physical Review Letters, Journal Name: Physical Review Letters Vol. 127 Journal Issue: 4; ISSN 0031-9007
Publisher:
American Physical SocietyCopyright Statement
Country of Publication:
United States
Language:
English

References (73)

Measurement of direct electron-positron pair production from hadronic bremsstrahlung journal December 1981
Signatures of thermal dilepton radiation at ultrarelativistic energies journal April 2001
Enhanced Production of Low-Mass Electron Pairs in 200 GeV/Nucleon S-Au Collisions at the CERN Super Proton Synchrotron journal August 1995
Further analysis of a direct soft photon excess in π−p interactions at 280 GeV/c journal November 2002
Alignment of the ALICE Inner Tracking System with cosmic-ray tracks journal March 2010
Measurements of dielectron production in Au + Au collisions at s N N = 200 GeV from the STAR experiment journal August 2015
Measurements of Multiparticle Correlations in d + Au Collisions at 200, 62.4, 39, and 19.6 GeV and p + Au Collisions at 200 GeV and Implications for Collective Behavior journal February 2018
Coherent lepton pair production in hadronic heavy ion collisions journal June 2018
Dilepton Spectroscopy of QCD Matter at Collider Energies journal January 2013
Dielectron and heavy-quark production in inelastic and high-multiplicity proton–proton collisions at s = 13 TeV journal January 2019
Measurement of charm and beauty production at central rapidity versus charged-particle multiplicity in proton-proton collisions at s = 7 $$ \sqrt{s}=7 $$ TeV journal September 2015
Multiplicity dependence of $$\pi $$, K, and p production in pp collisions at $$\sqrt{s} = 13$$ TeV journal August 2020
Femtoscopy of p p collisions at s = 0.9 and 7 TeV at the LHC with two-pion Bose-Einstein correlations journal December 2011
Dilepton radiation at the CERN super-proton synchrotron journal June 2008
PYTHIA 6.4 physics and manual journal May 2006
Dilepton radiation in heavy-ion collisions at small transverse momentum journal March 2019
Hadronic Production of Massive Muon Pairs: Dependence on Incident-Particle Type and on Target Nucleus journal June 1977
Direct Electron-Pair Production in π ± p Interactions at 18 GeV/ c journal October 1978
Neutral pion and η meson production in proton–proton collisions at <mml:math altimg="si1.gif" overflow="scroll" xmlns:xocs="http://www.elsevier.com/xml/xocs/dtd" xmlns:xs="http://www.w3.org/2001/XMLSchema" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xmlns="http://www.elsevier.com/xml/ja/dtd" xmlns:ja="http://www.elsevier.com/xml/ja/dtd" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:tb="http://www.elsevier.com/xml/common/table/dtd" xmlns:sb="http://www.elsevier.com/xml/common/struct-bib/dtd" xmlns:ce="http://www.elsevier.com/xml/common/dtd" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:cals="http://www.elsevier.com/xml/common/cals/dtd"><mml:msqrt><mml:mi>s</mml:mi></mml:msqrt><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.9</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext>TeV</mml:mtext></mml:math> and <mml:math altimg="si2.gif" overflow="scroll" xmlns:xocs="http://www.elsevier.com/xml/xocs/dtd" xmlns:xs="http://www.w3.org/2001/XMLSchema" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xmlns="http://www.elsevier.com/xml/ja/dtd" xmlns:ja="http://www.elsevier.com/xml/ja/dtd" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:tb="http://www.elsevier.com/xml/common/table/dtd" xmlns:sb="http://www.elsevier.com/xml/common/struct-bib/dtd" xmlns:ce="http://www.elsevier.com/xml/common/dtd" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:cals="http://www.elsevier.com/xml/common/cals/dtd"><mml:msqrt><mml:mi>s</mml:mi></mml:msqrt><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext>TeV</mml:mtext></mml:math> journal October 2012
Consistency of data on soft photon production in hadronic interactions journal December 1994
Direct electron pair production in π−p interactions at 16 GeV/c and a model for direct lepton and photon production at low pT journal June 1982
Observation of Associated Near-Side and Away-Side Long-Range Correlations in s N N = 5.02 TeV Proton-Lead Collisions with the ATLAS Detector journal May 2013
Neutral pion and $$\eta $$ η meson production in p–Pb collisions at $$\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}$$ s NN  = 5.02 TeV journal August 2018
Observation of a soft photon signal in excess of QED expectations in pp interactions journal November 2002
First Observation of Dielectron Production in Proton-Nucleus Collisions below 10 GeV journal August 1988
Observation of long-range, near-side angular correlations in proton-proton collisions at the LHC journal September 2010
Measurement of long-range angular correlations and azimuthal anisotropies in high-multiplicity p + Au collisions at s NN = 200 GeV journal March 2017
The ALICE TPC, a large 3-dimensional tracking device with fast readout for ultra-high multiplicity events
  • Alme, J.; Andres, Y.; Appelshäuser, H.
  • Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Vol. 622, Issue 1 https://doi.org/10.1016/j.nima.2010.04.042
journal October 2010
Dielectron production in proton-proton and proton-lead collisions at s NN = 5.02 TeV journal November 2020
The ALICE experiment at the CERN LHC journal August 2008
Tuning PYTHIA 8.1: the Monash 2013 tune journal August 2014
Neutral meson production in p-Be and p-Au collisions at 450 GeV beam energy journal June 1998
Two-photon production of dilepton pairs in peripheral heavy ion collisions journal May 2018
Enhanced production of multi-strange hadrons in high-multiplicity proton–proton collisions journal April 2017
Inclusive μ -Pair Production at 150 GeV by π + Mesons and Protons journal September 1976
Measurement of dielectron production in central Pb-Pb collisions at s NN = 2.76 TeV journal February 2019
Soft quark annihilation versus bremsstrahlung mechanisms of dilepton production ine +e− collisions journal September 1983
Cold quark-gluon plasma and multiparticle production journal May 1989
Production of direct e+e− pairs in proton-nucleus collisions at 13 GeV/c journal November 1981
The vacuum structure in QCD and hadron-hadron scattering journal September 1984
Soft photons in hadron-hadron collisions: synchrotron radiation from the QCD vacuum? journal March 1995
Anomalous electron-pair production in 17-GeV/ c π p collisions journal May 1983
The production of prompt positrons at low transverse momentum increases with the square of the associated charged multiplicity journal July 1987
Detailed measurement of the e + e pair continuum in p + p and Au + Au collisions at s NN = 200 GeV and implications for direct photon production journal March 2010
Production of Muon Pairs by 150-GeV/ c π + and Protons journal February 1976
Performance of the ALICE Time-Of-Flight detector at the LHC journal April 2013
Evidence of Pair Origin of Prompt Muons journal April 1976
Modification of the ρ meson detected by low-mass electron–positron pairs in central PbAu collisions at <mml:math altimg="si1.gif" overflow="scroll" xmlns:xocs="http://www.elsevier.com/xml/xocs/dtd" xmlns:xs="http://www.w3.org/2001/XMLSchema" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xmlns="http://www.elsevier.com/xml/ja/dtd" xmlns:ja="http://www.elsevier.com/xml/ja/dtd" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:tb="http://www.elsevier.com/xml/common/table/dtd" xmlns:sb="http://www.elsevier.com/xml/common/struct-bib/dtd" xmlns:ce="http://www.elsevier.com/xml/common/dtd" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:cals="http://www.elsevier.com/xml/common/cals/dtd"><mml:mn>158</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext>GeV</mml:mtext><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:math> journal September 2008
Search for a common baryon source in high-multiplicity pp collisions at the LHC journal December 2020
Origin of the dimuon continuum and the space-time evolution of hadron collisions journal September 1977
$$\pi ^{0}$$ π 0 and $$\eta $$ η meson production in proton-proton collisions at $$\sqrt{s}=8$$ s = 8 TeV journal March 2018
A clear-cut test of low mass dilepton production mechanism in hadronic collisions journal March 1986
Quadrupole Anisotropy in Dihadron Azimuthal Correlations in Central d + Au Collisions at s N N = 200 GeV journal November 2013
The cold quark-gluon plasma as a source of very soft photons in high energy collisions journal August 1990
Comparison of the soft-annihilation model of low-mass dilepton production with the data journal August 1981
Applicability of transverse mass scaling in hadronic collisions at energies available at the CERN Large Hadron Collider journal December 2017
Low mass dilepton production in pp and pA collisions as a signature of the thermalization of hadronic matter journal March 1989
Di-electron spectrum at mid-rapidity in p + p collisions at s = 200 GeV journal August 2012
Low transverse momentum photon production in proton-nucleus collisions at 18 GeV/ c journal October 1996
Low- p T e + e Pair Production in Au + Au Collisions at s N N = 200 GeV and U + U Collisions at s N N = 193 GeV at STAR journal September 2018
Dimuon production in 15.5-GeV/ c π p interactions and the observation of a low-mass continuum journal November 1980
Charged-particle production as a function of multiplicity and transverse spherocity in pp collisions at $$ \sqrt{\mathbf{s}} =\mathbf{5.02}$$s=5.02 and 13 TeV journal October 2019
Soft photon production in 450 GeV/cp-Be collisions journal December 1993
Production of K∗(892)0 and ϕ(1020) in pp collisions at $\sqrt{s}=7\ \mathrm{TeV}$ journal October 2012
Dilepton mass spectra in <mml:math altimg="si1.gif" overflow="scroll" xmlns:xocs="http://www.elsevier.com/xml/xocs/dtd" xmlns:xs="http://www.w3.org/2001/XMLSchema" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xmlns="http://www.elsevier.com/xml/ja/dtd" xmlns:ja="http://www.elsevier.com/xml/ja/dtd" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:tb="http://www.elsevier.com/xml/common/table/dtd" xmlns:sb="http://www.elsevier.com/xml/common/struct-bib/dtd" xmlns:ce="http://www.elsevier.com/xml/common/dtd" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:cals="http://www.elsevier.com/xml/common/cals/dtd"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:math> collisions at <mml:math altimg="si2.gif" overflow="scroll" xmlns:xocs="http://www.elsevier.com/xml/xocs/dtd" xmlns:xs="http://www.w3.org/2001/XMLSchema" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xmlns="http://www.elsevier.com/xml/ja/dtd" xmlns:ja="http://www.elsevier.com/xml/ja/dtd" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:tb="http://www.elsevier.com/xml/common/table/dtd" xmlns:sb="http://www.elsevier.com/xml/common/struct-bib/dtd" xmlns:ce="http://www.elsevier.com/xml/common/dtd" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:cals="http://www.elsevier.com/xml/common/cals/dtd"><mml:msqrt><mml:mi>s</mml:mi></mml:msqrt><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>200</mml:mn><mml:mtext> GeV</mml:mtext></mml:math> and the contribution from open charm journal January 2009
Multiplicity dependence of light-flavor hadron production in p p collisions at s = 7 TeV journal February 2019
ALICE: Physics Performance Report, Volume I journal October 2004
Bremsstrahlung of Very Low-Energy Quanta in Elementary Particle Collisions journal May 1958
Blast-wave description of Υ elliptic flow at energies available at the CERN Large Hadron Collider journal June 2020
NA60 results on the ρ spectral function in In-In collisions journal February 2007
Dielectron production in Au + Au collisions at s N N = 200 GeV journal January 2016
Pion femtoscopy in p + p collisions at s = 200 GeV journal June 2011
Low-mass lepton-pair production in p-Be collisions at 450 GeV/c journal March 1995