[論文レビュー] Energy Dependence of Direct-Quarkonium Production in pp Collisions from Fixed-Target to LHC Energies: Complete One-Loop Analysis

Yu Feng, Jean-Philippe Lansberg+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 47被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、非相対論的QCD (NRQCD) における固定標的にからLHCエネルギーまでをカバーするpp衝突における直接クォーカーミオン生成の完全な次-leading-order (NLO) 計算を提示する。P_T微分断面積に適合したNLOでフィッティングされた色八重項長距離行列要素 (LDMEs) を用いて、P_T統合断面積を予測する。LHCエネルギーにおいて、NRQCDに色八重項貢献を含めたモデルは、実験データを4–10倍程度過大に予測していることが判明した。一方、NLOにおける色単一項モデルは物理的でないエネルギー依存性を示しており、理論と実験の乖離を解消するには、完全なNNLO計算または初期状態放射線の再計算が必要であると示唆している。

ABSTRACT

We compute the energy dependence of the P_T-integrated cross section of directly produced quarkonia in pp collisions at next-to-leading order (NLO), namely up to alpha_s^3, within nonrelativistic QCD (NRQCD). Our analysis is based on the idea that the P_T-integrated and the P_T-differential cross sections can be treated as two different observables. The colour-octet NRQCD parameters needed to predict the P_T-integrated yield can thus be extracted from the fits of the P_T-differential cross sections at mid and large P_T. For the first time, the total cross section is evaluated in NRQCD at full NLO accuracy using the recent NLO fits of the P_T-differential yields at RHIC, the Tevatron and the LHC. Both the normalisation and the energy dependence of the J/psi, psi' and Upsilon(1S), we obtained, are in disagreement with the data irrespective of the fit method. The same is true if one uses CEM-like colour-octet NRQCD parameters. If, on the contrary, one disregards the colour-octet contribution, the existing data in the TeV range are well described by the alpha_s^3 contribution in the colour-singlet model --which, at alpha_s^4, however shows an unphysical energy dependence. A similar observation is made for eta(c,b). This calls for a full NNLO or for a resummation of the initial-state radiation in this channel. In any case, past claims that colour-octet transitions are dominantly responsible for low-P_T quarkonium production are not supported by our results. This may impact the interpretation of quarkonium suppression in high-energy proton-nucleus and nucleus-nucleus collisions.

研究の動機と目的

• 固定標的にからLHCエネルギーまでをカバーするpp衝突におけるP_T統合直接クォーカーミオン断面積のエネルギー依存性を、NRQCDにおける完全なNLO精度で計算すること。
• 中間および高P_T領域でのP_T微分断面積に適合した色八重項LDMEsが、P_T統合断面積を一貫して記述できるかどうかを検証すること。
• 低P_T領域におけるクォーカーミオン生成の色八重項優勢仮説の妥当性を評価すること。
• NRQCDに再定式化した色消失モデル (CEM) が、P_T統合断面積を再現できるかどうかを調査すること。
• 理論と実験の乖離の原因を特定すること、特に高エネルギー領域におけるNLO断面積の物理的でない振る舞い（符号の変化など）に注目すること。

提案手法

• NRQCD因子化を用いて、pp衝突における直接クォーカーミオン生成の完全な1ループ (NLO) 計算を実行する。
• RHIC、Tevatron、LHCにおけるP_T微分断面積のフィッティングから得られたNLOでフィッティングされた色八重項LDMEsを用いて、P_T統合断面積を予測する。
• NLOにおける色単一項モデル (CSM) の予測を、エネルギー依存性や断面積の符号を含めた実験データと比較する。
• Bodwinら (2005) が導出したLDMEsを用いて、NRQCD内でのCEMに類似した手法を適用し、P_T統合データとの整合性を検証する。
• 高中心系エネルギー領域におけるNLO断面積の振る舞いを分析し、符号の変化や物理的でない振る舞いを評価する。
• 初期状態放射線や高次トレース寄与の役割を、観察された乖離の解決策として評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中間および高P_T領域でのP_T微分データに適合した色八重項LDMEsが、NLOにおいてpp衝突におけるP_T統合クォーカーミオン断面積を一貫して記述できるか？
• RQ2 なぜNLO NRQCD予測において色八重項貢献を含めたモデルが、LHCエネルギー領域で測定されたP_T統合断面積を著しく過大に予測するのか？
• RQ3 NLOにおける色単一項モデルは、直接クォーカーミオン生成のエネルギー依存性を一貫して記述できるか。それとも、負の断面積などの物理的でない振る舞いを示すのか？
• RQ4 CSMから導かれたLDMEsを用いたCEMに類似したNRQCD手法が、P_T統合データを再現できるか？
• RQ5 観察された乖離を説明するメカニズムとして、初期状態放射線、高次項補正、非摂動的効果のうち、どれが適切か？

主な発見

• P_T微分断面積に適合した色八重項LDMEsを用いたNRQCDは、LHCエネルギー領域においてJ/ψ、ψ′、Υ(1S)のP_T統合断面積を4倍から10倍以上過大に予測している。
• NLOにおける色単一項モデルは、データのエネルギー依存性をよりよく記述しているが、特定のスケール選択において高エネルギー領域で負の断面積を示す物理的でない振る舞いを示している。
• スピン単一項クォーカーミオン（η_c,b）に対しても同様の物理的でない振る舞いが観察され、NLOにおける摂動的展開に系統的な問題があることが示唆されている。
• CEMに類似したNRQCD手法はP_T統合断面積を再現できていないが、1ループでの標準的CEM実装ではこの問題が見られない。
• 過去の低P_Tクォーカーミオン生成における色八重項優勢仮説の主張は、NLOにおけるNRQCDでは全領域を一貫して記述できないことから、時期尚早であると示唆されている。
• 乖離の原因は、完全なNNLO計算または初期状態放射線の再計算が行われない限り解消されない可能性がある。