[論文レビュー] Double, triple, and $n$-parton scatterings in high-energy proton and nuclear collisions

D. d’Enterria, Alexander Snigirev|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2017

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、高エネルギー陽子-陽子、陽子-核、および核-核衝突における二重（DPS）、三重（TPS）、一般のn部分子散乱（NPS）断面積を、NLO や NNLO の精度で摂動的QCDを用いて因子化フレームワークを開発する。主な貢献は、Glauberアプローチを用いて横断的部分子プロファイルから有効断面積 $\sigma_{\rm eff}$ を導出することであり、これによりLHCおよびFCCエネルギーにおける重いクォーク、クォークォニウム、ゲージボソンのDPSおよびTPS生成断面積を定量的に推定可能となる。核衝突では $A^2$ や高次の $A$ スケーリングに起因し、顕著な増幅が見られる。

ABSTRACT

The framework to compute the cross sections for the production of particles with high mass and/or large transverse momentum in double- (DPS), triple- (TPS), and in general $n$-parton scatterings, from the corresponding single-parton ($\\sigma_{\ m SPS}$) values in high-energy proton-proton, proton-nucleus, and nucleus-nucleus is reviewed. The basic parameter of the factorized $n$-parton scattering ansatz is an effective cross section $\\sigma_{\ m eff}$ encoding all unknowns about the underlying generalized $n$-parton distribution in the proton (nucleon). In its simplest and most economical form, the $\\sigma_{\ m eff}$ parameter can be derived from the transverse parton profile of the colliding protons and/or nucleus, using a Glauber approach. Numerical examples for the cross sections and yields expected for the concurrent DPS or TPS production of heavy-quarks, quarkonia, and/or gauge bosons in proton and nuclear collisions at LHC and Future Circular Collider (FCC) energies are provided. The obtained cross sections are based on perturbative QCD predictions for $\\sigma_{\ m SPS}$ at next-to-leading-order (NLO) or next-to-NLO (NNLO) accuracy including, when needed, nuclear modifications of the corresponding parton densities.

研究の動機と目的

• 高エネルギー強子衝突におけるn部分子散乱断面積を計算するための因子化フレームワークの構築。
• LHCおよび将来の円形衝突装置（FCC）エネルギーにおける陽子および核衝突において、重いクォーク、クォークォニウム、ゲージボソンのDPSおよびTPS生成率の推定。
• 核の横断的密度プロファイルを用いて、pA衝突において $\sigma_{\rm eff,\textsc{dps}}$ を独立に抽出。
• 核物質におけるマルチパートン相関および部分子密度プロファイルがNPS過程に与える影響の評価。
• DPSおよびTPSがレア最終状態探索におけるバックグラウンドとしての重要性、および3次元部分子構造のプローブとしての意義の評価。

提案手法

• フレームワークは、NPS断面積が単一部分子散乱（SPS）断面積に $\sigma_{\rm eff}$ でスケーリングされた因子化アンザッツを用いる。
• 有効断面積 $\sigma_{\rm eff}$ は、Glauberアプローチを用いて横断的部分子プロファイルから導出され、未知のマルチパートン相関を符号化する。
• 断面積は、一般化されたn部分子分布関数（PDF）と摂動的部分子断面積（NLOまたはNNLO）の畳み込みにより計算される。
• pAおよびAA衝突において必要に応じて部分子密度への核修正を組み込む。
• 衝突パrameter依存性は、核の重なり関数を通じてモデル化され、AA衝突ではDPS断面積がこれに比例する。
• LHCおよびFCCにおける二重 $J/\psi$、$J/\psi\Upsilon$、同符号W W生成などの過程について、数値的推定を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCおよびFCCエネルギーにおけるpp、pA、AA衝突において、重いクォーク、クォークォニウム、ゲージボソンの同時DPSおよびTPS生成断面積はどの程度期待されるか？
• RQ2 $\sigma_{\rm eff}$ パrameter（マルチパートン相関を符号化）は、異なる衝突系においてどのように変化するか。また、その起源は横断的部分子プロファイルにどのように現れるか？
• RQ3 pAおよびAA衝突におけるDPSおよびTPS過程が、pp測定に依存せずに $\sigma_{\rm eff,\textsc{dps}}$ を独立に得る手段としてどの程度有効か？
• RQ4 AA衝突において、同じ核子内 vs. 異なる核子間の部分子相互作用の寄与は、核質量数Aにどのようにスケーリングされるか？
• RQ5 超高エネルギー宇宙線が大気核と衝突する際、TPS過程の重要性は何か？

主な発見

• PbPb衝突では、$A^2$ や高次の $A$ スケーリングに起因し、pp SPS断面積と比較してDPS断面積が約 $10^7$ 倍増幅される。
• 208Pb+208Pb衝突では、DPS生成の2.5%しか核子内での部分子相互作用に起因せず、残りの97.5%は異なる核子間の相互作用に起因する。
• TPSにおいて、3つの部分子が3つの異なる核子で相互作用する寄与が、2つの核子で3つの部分子が相互作用する場合に比べて40,000倍以上優勢である。
• 重イオン衝突におけるクォークォニウム生成のイベントごとの解析では、二重 $J/\psi$ および二重 $\Upsilon$ 状態を明示的に考慮する必要がある。
• 超高エネルギー宇宙線では、三重 charm-anticharmペア生成のTPS断面積が、p-Airの全非弾性断面積と等しくなる。これは、このような衝突のすべてが複数部分子相互作用を介して少なくとも3つの $c\bar{c}$ ペアを生成することを意味する。
• 二重 $J/\psi$、$J/\psi\Upsilon$、同符号W W生成などの過程は、LHCおよびFCCの光度において顕著な断面積と高いイベントレートを示し、研究に適している。