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Probing gluon fluctuations in nuclei with the first energy-dependent measurement of incoherent $J/\psi$ photoproduction in ultraperipheral PbPb collisions

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2025

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Report No.: CERN-EP-2025-030; CMS-HIN-23-009; arXiv:2503.08903

Abstract: Incoherent J/$\psi$ photoproduction in heavy ion ultraperipheral collisions (UPCs), in which the photon interacts with localized, fluctuating gluonic hotspots rather than the entire nucleus, provides a unique probe of those fluctuations. This study presents the first measurement of the dependence of this photoproduction yield on the photon-nucleon center-of-mass energy ($W_\gamma^\mathrm{N}$), using PbPb UPCs at a nucleon-nucleon center-of-mass energy of 5.02 TeV. The data corresponds to an integrated luminosity of 1.52 nb$^{-1}$, recorded by the CMS experiment. The measurement covers a wide $W_\gamma^\mathrm{N}$ range of $\approx$40-400 GeV, probing gluons carrying a fraction of nucleon momentum $x$ in the range between 5.9 $\times$ 10$^{-3}$ and 6.5 $\times$ 10$^{-5}$. The measured incoherent J/$\psi$ photoproduction cross section is suppressed relative to theoretical predictions without nuclear effects. However, the ratio of incoherent to coherent photoproduction remains constant across the probed $W_\gamma^\mathrm{N}$ and $x$ range. Together, these results pose significant challenges to current theoretical models which include gluon saturation or nuclear shadowing effects.


Note: Submitted to Physical Review Letters. All figures and tables can be found at http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/HIN-23-009 (CMS Public Pages)Title Change: Small-x evolution of gluon fields from incoherent J/ψ photoproduction in ultraperipheral PbPb collisions

Contributing Institute(s):
  1. LHC/CMS Experiment (CMS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
  2. HIDSS-0002 - DASHH: Data Science in Hamburg - Helmholtz Graduate School for the Structure of Matter (2019_IVF-HIDSS-0002) (2019_IVF-HIDSS-0002)
  3. DFG project G:(GEPRIS)390833306 - EXC 2121: Quantum Universe (390833306) (390833306)
Experiment(s):
  1. LHC: CMS

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