[論文レビュー] Exclusive $J/ψ$ production at the LHC in the $k_T$ factorization approach

Stephen Jones, A. D. Martin+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、LHCにおけるpp衝突における特異的J/ψ生成のための改善された$k_T$-因子化手法を提示し、精緻な急速性ギャップ生存要因と正確な光子フラックスを組み込むことで、$x \sim 3 \times 10^{-6}$におけるグルーオン分布をよりよく探査することを目的としている。この手法は、LHCbおよびHERAのデータから$xg(x,\mu^2)$を10%未満の精度で抽出可能であり、現在のグローバルフィットが外挿に依存している低$x$、低$Q^2$領域におけるグルーオンPDFの制約に実用的な道筋を提供する。

ABSTRACT

The recent LHCb data for exclusive $J/ψ$ peripheral production at 13 TeV motivate an improved `NLO' analysis to estimate the gluon distribution at low $x$ in which we re-calculate the rapidity gap survival factors and use a more precise expression for the photon flux. We comment on the difference between the $k_T$ and collinear factorization approaches.

研究の動機と目的

• LHCにおけるpp衝突における特異的J/ψ生成の理論的記述を、$k_T$-因子化手法を用いて改善すること。
• スキャンエネルギー$\sqrt{s} = 7$, $8$, および$13$ TeVにおける$pp \to p + J/\psi + p$の急速性ギャップ生存要因$S^2$を再計算し、相関誤差と精緻な光子フラックスを考慮すること。
• LHCbおよびHERAのデータから低$x$におけるグルーオン分布$xg(x,\mu^2)$を抽出し、$x \sim 10^{-4}$未塔のグローバルPDF解析で直接の制約が不足している点を補うこと。
• $k_T$-因子化結果と摂動的因子化、およびグローバルNLO PDFフィットを比較し、各手法の整合性と限界を評価すること。
• 将来のグローバルPDFフィットに特異的J/ψデータを組み込む可能性を検討するため、$k_T$-因子化結果を$\overline{\rm MS}$形式に変換する方法を検討すること。

提案手法

• $k_T$-因子化を用いて、$\gamma p \to J/\psi p$過程の微分断面積を計算し、グルーオンの横運動量$k_T$に関する積分に置き換えることで、先行順位の公式を改善する。
• 大$k_T$成分の寄与を抑制し収束性を保証するため、Sudakov因子$T(k_T^2, \mu^2) = \exp\left[-C_A \alpha_s(\mu^2)/(4\pi) \ln^2(\mu^2/k_T^2)\right]$を導入する。
• 赤外スケール$Q_0 = 1$ GeV未満で、$xg(x,k_T^2)\sqrt{T}$に対して線形のアンザッツを適用し、$\mu^2 = \max(k_T^2, \bar{Q}^2)$および$\mu_{\rm IR}^2 = \max(Q_0^2, \bar{Q}^2)$とする。
• 一般化部分子分布関数（GPD）におけるスケーリング効果を、$\mathcal{O}(x)$の精度でShuvaev変換を用いて取り入れる。
• 振幅の実部補正および相対論的$J/\psi$波動関数効果を補正し、約6%の抑制効果として推定する。
• HERAの光子生成および電磁生成データ、およびLHCbの7 TeVおよび予備的な13 TeVデータを統合してフィットし、$xg(x,\mu^2)$を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 改善された急速性ギャップ生存要因$S^2$は、LHCにおける特異的J/ψ生成の理論的予測にどのように影響を与えるか？
• RQ2 低$x$領域において、$k_T$-因子化手法は、摂動的因子化に比べて理論的不確かさをどの程度低減するか？
• RQ3 LHCbおよびHERAの特異的J/ψデータは、$x \lesssim 10^{-4}$において10%未満の精度で$xg(x,\mu^2)$を制約できるか？
• RQ4 $k_T$-因子化に基づく$xg(x,\mu^2)$抽出結果とグローバルNLO PDFフィットとの整合性は、特に低$x$領域でどの程度保たれているか？
• RQ5 将来のグローバルPDFフィットに組み込むために、$k_T$-因子化結果を$\overline{\rm MS}$形式に変換することは可能か？

主な発見

• $\sqrt{s} = 7$, $8$, および$13$ TeVにおける特異的J/ψ生成の急速性ギャップ生存要因$S^2$が計算され、二つの独立した$\gamma^*p \to J/\psi p$過程に対して$S^2(W_\pm)$の値が提供されている。
• $k_T$-因子化手法は、低$x$領域で因子化スケールの選択による理論的不確かさを軽減しており、これは摂動的因子化が低$x$領域で直面する問題である。
• LHCbおよびHERAの特異的J/ψデータを用いることで、$x \lesssim 0.004$において$xg(x,\mu^2)$を10%未満の精度で抽出可能であり、低$x$領域における制約が顕著に改善された。
• J/ψデータから抽出された$xg(x,\mu^2)$は、$x \gtrsim 10^{-4}$においてグローバルNLO PDFフィットと良好に一致しているが、$x \lesssim 10^{-4}$という従来の制約がなかった領域へも拡張されている。
• 相対論的補正による$J/\psi$波動関数効果は、断面積を約6%抑制するが、この補正は解析に組み込まれている。
• この手法により、$k_T$-因子化結果を$\overline{\rm MS}$形式に変換することで、特異的J/ψデータをグローバルPDFフィットに組み込む道筋が開かれる。特に、最適な因子化スケール$\mu_F = M_\psi/2$を用いることで、その可能性が高まる。