[論文レビュー] Constraints on Nonrelativistic-QCD Long-Distance Matrix Elements from $J/ψ$ Plus $W$/$Z$ Production at the LHC

Mathias Butenschoen, Bernd A. Kniehl|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、非相対論的量子色力学（NRQCD）因子化フレームワーク内において、LHCにおけるプロンプトJ/ψ + W/Z生成の初の次-leading-order（NLO）QCD計算を提示する。ATLASのデータと予測を比較することで、長距離行列要素（LDMEs）に厳しい制約を課し、色八重項機構の強力な証拠を得るとともに、いくつかの既存のLDMEセットが観測結果と整合しないことを明らかにした。

ABSTRACT

We study the associated production of prompt $J/\psi$ mesons and $W$ or $Z$ bosons within the factorization approach of nonrelativistic QCD (NRQCD) at next-to-leading order in $\alpha_s$, via intermediate color singlet ${^3}S_1^{[1]}$ and ${^3}P_J^{[1]}$ and color octet ${^1S}_0^{[8]}$, ${^3S}_1^{[8]}$ and ${^3P}_J^{[8]}$ states. Requiring for our predictions to be compatible with recent ATLAS measurements yields stringent new constraints on charmonium long-distance matrix elements (LDMEs) being nonperturbative, process-independent input parameters. Considering four popular LDME sets fitted to data of single $J/\psi$ inclusive production, we find that one is marginally compatible with the data, with central predictions typically falling short by a factor of three, one is unfavored, the factor of shortfall being about one order of magnitude, and two violate cross section positivity for direct $J/\psi+W/Z$ production. The large rate of prompt $J/\psi$ plus $W$ production observed by ATLAS provides strong evidence for the color octet mechanism inherent to NRQCD factorization, the leading color singlet contribution entering only at $\mathcal{O}(G_F\alpha_s^4)$, beyond the order considered here.

研究の動機と目的

• NRQCD因子化フレームワーク内でのプロンプトJ/ψ + W/Zハドロ生成の完全な初のNLO計算を提供すること。
• 最近のATLASによるJ/ψ + W/Z生成測定結果を用いて、非摂動的長距離行列要素（LDMEs）を制約すること。
• 単一インクリューシブJ/ψ生成にフィットされた既存のLDMEセットが、関連生成データと整合するかを検証すること。
• 実験的断面積との精密な比較を通じて、チャームニューオン生成における色八重項機構の妥当性を評価すること。
• αsのNLOにおいて、断面積の正値性と実験的整合性を満たすLDMEセットを特定すること。

提案手法

• 短距離係数とLDMEの和として断面積を計算するNRQCD因子化を適用する：σ = Σ_n ˜σ(pp → cc[n] + W/Z + X) × ⟨OH(n)⟩。
• 摂動的QCDを用いて、αsのNLOで部分的断面積˜σを評価し、P波状態生成における仮想補正を含む。
• 次元正則化における一貫性を保つために、標準的スキームを用いてγ5を反対称化されたγµγ5とリーマン・クリヴォのテンソルで取り扱う。
• 振幅生成にはFeynArtsを、代数的操作にはカスタムFORMおよびMathematicaコードを用い、テンソル還元には積分ごとの部分積分法とPassarino-Veltman還元の二つの独立手法を採用する。
• 数値的積分には並列化されたVEGASアルゴリズムを用い、マスターインテグレーリングに対してOneLoopおよびQCDLoopとの解析的チェックを実施する。
• 赤外不安定性を回避するため、ドーナツ減算法とフェーズスペーススライシングを実装し、数値的一致性とドーナツ減算法の優れた精度を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのNRQCD長距離行列要素（LDMEs）がLHCにおけるATLASによるJ/ψ + W/Z生成測定と整合するか？
• RQ2 単一インクリューシブJ/ψデータにフィットされた既存のLDMEセットが、J/ψ + W/Z生成の観測断面積をどの程度正確に予測できるか？
• RQ3 J/ψ + W生成の大きな観測率は、ローレンツ・シングレット寄与よりも色八重項機構を支持するか？
• RQ4 どのLDMEセットが関連生成におけるJ/ψ + W/Z生成の断面積正値性を破るか？
• RQ5 NRQCDにおけるNLO QCD計算は、インクリューシブおよび関連生成チャームニューオンデータの不整合を解消できるか？

主な発見

• 4つのテストされたLDMEセットのうち1つはわずかにATLASデータと整合するが、中央値予測は観測値の3分の1にとどまる。
• 1つのLDMEセットは不利益であり、予測断面積が観測率のおよそ10倍も小さい。
• 2つのLDMEセットは、直接的J/ψ + W/Z生成において断面積正値性を破り、物理的に整合しない。
• J/ψ + W生成の大きな観測断面積は、NRQCDにおける色八重項機構の強力な証拠を示している。
• J/ψ + W/Z生成における主な色シングレット寄与は、O(GF α⁴s)のオーダーで抑制されており、本研究で考慮されたNLOのオーダーを超えているため、八重項チャネルの支配的寄与が確認された。