[論文レビュー] Heavy Quarkonium Production at Threshold: from JLab to EIC

S. Joosten, Z.-E. Meziani|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 24被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ジェファーソン・ラボ12 GeVおよび将来のエレクトロン・イオン・コollider（EIC）における$J/\psi$および$\Upsilon$の弾性電気的および光生産を用いて、陽子質量とスピンの起源を解明し、ハドロン間の色ヴァン・デル・ワールス力の測定、LHCbのペンタクォークの性質の解明を目的とする。閾値および高質量運動量領域を組み合わせることで、一般化部分子分布（GPDs）を通じて、ヌクレオン質量分解におけるクォークおよびグルーオンの寄与に実験的にアクセス可能となり、新しいモンテカルロ生成装置LIGENを用いた予測の妥当性が確認された。

ABSTRACT

In this contribution we present opportunities to address questions about the origin of mass and spin, probe the existence and nature of the LHCb pentaquark state, and probe the color Van der Waal forces among two color neutral hadrons. The key reaction is elastic production of heavy quarkonia (J/psi and Upsilon) on the nucleon from threshold to large nucleon-quarkonium invariant masses. This is possible when combining the energy range of two high luminosity facilities, Jefferson Lab 12 GeV and an electron ion collider (EIC).

研究の動機と目的

• 閾値および高いインvariant質量での弾性$J/\psi$および$\Upsilon$生産の測定を通じて、ヌクレオン質量およびスピンの起源を実験的に探る。
• EICにおける一般化部分子分布（GPDs）を用いて、グルーオンの寄与によるヌクレオンスピンおよび質量への寄与をアクセスする。
• グルーオン密度の横断的空間的分布およびヌクレオンのグルーオン半径を特定する。
• $\gamma p \to P_c \to J/\psi p$過程における排他的$J/\psi$生産を通じて、LHCbペンタクォーク状態の存在および性質を検証する。
• $t$-チャンネルでの$J/\psi$および$\Upsilon$生産を用いて、2つの色シングレットハドロン間の色ヴァン・デル・ワールス力を測定する。

提案手法

• 固定標的および衝突機の運動学をカバーする$l$-A反応をシミュレートするため、新規モンテカルロイベント生成装置LIGENを用いる。
• 2グルーオン交換を介した$J/\psi$および$\Upsilon$生産の$t$-チャンネル断面積を、世界の光生産データにフィットさせたモデルで記述する。
• $s$-チャンネルヘリシティ保存（SCHC）フレームワークを用いて、$J/\psi \to e^+e^-$および$\Upsilon \to e^+e^-$、$\mu^+\mu^-$崩壊における崩壊レプトンの角度分布を記述する。
• 電気的生産断面積の$Q^2$-依存性をパラメータ化するため、ドーナツ型フォーム因子$D = \left(\frac{M_V^2}{M_V^2 + Q^2}\right)^{n_2}$を用いる。
• 正確な仮想光子フラックスおよび偏光を、参考文献[44]の形式を用いて実装し、$R = \sigma_L / \sigma_T$はべき乗則形式でモデル化する。
• LHAPDFを用いてGPDをCT14グルーオンPDFに正規化し、格子QCDおよび実験データとの定量的比較を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クォーク質量とは対照的に、グルーオンエネルギーおよびトレース異常によって陽子質量のどの程度が寄与しているのか？
• RQ2 クォークの軌道的角運動量およびグルーオンの全角運動量は、陽子スピンにどのように寄与しているのか？
• RQ3 グルーオン分布の空間的広がりは何か？ そしてグルーオン半径とはどのように関係しているのか？
• RQ4 LHCbペンタクォーク状態は、閾値での排他的$\gamma p \to P_c \to J/\psi p$生産に現れるのか？
• RQ5 $t$-チャンネルでの$J/\psi$および$\Upsilon$交換を通じて、2つの色シングレットハドロン間の色ヴァン・デル・ワールス力の強さと範囲は何か？

主な発見

• $J/\psi$および$\Upsilon$生産の$t$-チャンネル断面積は、既存の光生産データにフィットされた2グルーオン交換モデルでよく記述できる。
• LIGEN生成装置は、広い運動量領域にわたる実際の$J/\psi$および$\Upsilon$電気的および光生産率を効果的にシミュレートできた。
• $J/\psi \to e^+e^-$崩壊生成物の角度分布は、$s$-チャンネルヘリシティ保存の予測に従い、実際の光生産では$\mathcal{W}(\cos\theta_{\text{CM}}) = \frac{3}{8}(1 + \cos^2\theta_{\text{CM}})$となる。
• 電気的生産断面積の$Q^2$-依存性は、最適化されたドーナツ型フォーム因子$D = \left(\frac{M_V^2}{M_V^2 + Q^2}\right)^{n_2}$を用いてモデル化され、排他的$\rho$生産に最適化されたものに$J/\psi$および$\Upsilon$に適応した。
• GPDはCT14グルーオンPDFに正規化されており、格子QCD計算との直接比較が可能となり、グルーオン半径およびスピン寄与の抽出が可能になった。
• 本研究は、EICにおける$\Upsilon$生産を通じてグルーオン半径およびグルーオンの全角運動量を測定する道筋を示し、$x$-依存の横断的プロファイルへの感度を有する。