[論文レビュー] Hadronic Production of $chi_c$-mesons at LHC

A. K. Likhoded, A. V. Luchinsky+1 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 15被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、非摂動的クォーク模型（NRQCD）フレームワーク内での次-leading order（NLO）量子色力学（QCD）計算を用いて、LHCにおける$\chi_{cJ}$ チャーミウム状態のハドロン的生成を調査する。色 singlet 構成が$\chi_{c1}$ および$\chi_{c2}$ 生成を支配しており、$P$-波の色八重項成分が顕著に寄与するが、$S$-波成分は無視できるほど小さい。$\chi_{c2}/\chi_{c1}$ および$\chi_{c0}/\chi_{c1}$ の比は、これらの寄与を区別するための主要な観測量であり、理論的予測はLHCbおよびCDFのデータとよく一致する。

ABSTRACT

Hadronic production of $P$-wave charmonium states $χ_{cJ}$ in hadronic interaction is considered. Using experimental results of CDF and LHCb collaborations we show, that contributions of color-singlet components are dominant. As for color-octet mechanism, we show, that contributions from $P$-wave states can also be observed, while $S$-wave states can be neglected. The best experimental observables that give information about relative importance of color-singlet and color-octet components are the ratios $χ_{c2}/χ_{c1}$ and $χ_{c0}/χ_{c1}$.

研究の動機と目的

• 高エネルギーハドロン衝突における$P$-波チャーミウム生成における色 singlet および色八重項成分の相対的寄与を特定すること。
• 生成断面積および横運動量分布を説明する$P$-波色八重項メカニズムの妥当性を評価すること。
• LHCbでの実験的実現可能性を踏まえて、$\chi_{c0}$ 生成断面積および$p_T$ 依存比の理論的予測を提供すること。
• 実験的波動関数パラメータと$\chi_{c2}$ のハドロン崩壊幅から抽出された$|R'(0)|^2$ の値の不一致を、パラメータ相関を分析することで解消すること。

提案手法

• Landau-Yang定理に抵触しないように、$\chi_{cJ}$ の生成断面積に寄与する非ゼロの横運動量を許容するため、部分過程$gg \to \chi_{cJ}g$ に対して次-leading order（NLO）QCD計算を適用する。
• 非相対論的QCD（NRQCD）因子化フレームワークを用い、物理的$\chi_{cJ}$ 状態を色 singlet および色八重項のフォック成分に分解する：$|c\bar{c}[{}^3P_J^{[1]}]\rangle$、$|c\bar{c}[{}^3S_1^{[8]}]\rangle$、および$|c\bar{c}[{}^1P_1^{[8]}]\rangle$。
• 微分断面積を、行列要素$|R'(0)|^2$、$\langle \mathcal{O}_S \rangle$、および$\langle \mathcal{O}_P \rangle$ に重み付けされた寄与の和として構築する。後二者はNRQCD展開におけるクォーク速度の相対的べき乗で抑制される。
• CDFおよびLHCbの$\chi_{cJ}$ 生成断面積および$p_T$ 分布に関する実験データに理論的予測をフィットさせ、色 singlet（CS）および色八重項（CO）成分の相対的寄与度を抽出する。
• $\chi^2$ を用いたパラメータスキャンにより、$|R'(0)|^2$ および$\langle \mathcal{O}_P \rangle$ の許容領域を、相関および不確実性を考慮して特定する。
• 将来の実験的比較のため、LHCbにおける$\chi_{c0}$ 生成断面積および$p_T$ 依存比$\chi_{c0}/\chi_{c1}$ および$\chi_{c0}/\chi_{c2}$ の理論的予測を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける$\chi_{c1}$ および$\chi_{c2}$ 生成において、色 singlet と色八重項成分の相対的寄与はそれぞれどの程度か？
• RQ2 $P$-波色八重項寄与は$\chi_{cJ}$ 生成で観測可能か？また、$S$-波寄与と比較してどの程度の大きさか？
• RQ3 特に比$\chi_{c2}/\chi_{c1}$ および$\chi_{c0}/\chi_{c1}$ といった実験的観測量は、色 singlet と色八重項メカニズムを区別するのにどの程度有効か？
• RQ4 フィットから抽出された$|R'(0)|^2$ の値は、$\chi_{c2}$ のハドロン崩壊幅から得られる推定値$\approx 0.08\,\text{GeV}^5$ と比較してどうか？
• RQ5 LHCbにおける$\chi_{c0}$ 生成断面積および$p_T$ 依存比の理論的予測は何か？また、それらはどのように実験的に検証可能か？

主な発見

• 色 singlet 構成が$\chi_{c1}$ および$\chi_{c2}$ メソン生成を支配しており、$\chi_{c2}/\chi_{c1}$ の比は、これらの成分の相対的強度を調べるための主要な観測量である。
• $P$-波色八重項成分の寄与は非可視的ではなく、データを説明するために不可欠であるが、$S$-波色八重項成分の寄与は安全に無視できる。
• LHCbにおける$\chi_{c1}$ および$\chi_{c2}$ 生成断面積および$p_T$ 分布の理論的予測は、LHCb協会の実験データと良好に一致している。
• $\chi_{c0}/\chi_{c1}$ および$\chi_{c0}/\chi_{c2}$ の比は、LHCbで測定可能であり、$P$-波色八重項成分を敏感に探査するための有効なプローブとなる。
• フィットから抽出された$|R'(0)|^2$ の値は、$\chi_{c2}$ のハドロン幅から得られる推定値$\approx 0.08\,\text{GeV}^5$ を上回っており、高エネルギー領域における波動関数パラメータの再評価が求められることを示唆している。
• パラメータ相関解析により、高エネルギー効果によって$|R'(0)|^2$ が増加すると、$\langle \mathcal{O}_P \rangle$ が対応して減少することが示され、これらの行列要素間にトレードオフの関係があることが明らかになった。