[論文レビュー] Higher-twist contributions to large pT hadron production in hadronic collisions

François Arleo, Stanley J. Brodsky+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2010

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、ハドロンがフラグメンテーションを経ずにハード散乱で直接生成される高位階QCD過程が、大スケールの$p_\perp$ハドロン生成のスケーリング指数がNLO QCD予測から著しく逸脱する理由を説明すると提案している。実験的スケーリング指数（高$x_\perp$で$n^{{\rm exp}} \simeq 8$）はNLO予測を最大で$\Delta \simeq 2$上回っており、一方プロンプト光子やジェットはリーディング位階予測と一致しており、ハドロプロダクションにおける高次位階寄与が無視できないことが示唆されている。

ABSTRACT

The scaling behavior of large-pT hadron production in hadronic collisions is investigated. A significant deviation from the NLO QCD predictions is reported, especially at high values of xT=2pT/sqrt(s). In contrast, the prompt photon and jet production data prove in agreement with leading-twist expectations. These results are interpreted as coming from a non-negligible contribution of higher-twist processes, where the hadron is produced directly in the hard subprocess. Predictions for scaling exponents at RHIC are successfully compared to PHENIX preliminary measurements. We suggest to trigger on isolated large-pT hadron production to enhance higher-twist processes, and point that the use of isolated hadrons as a signal for new physics at colliders can be affected by the presence of direct hadron production processes.

研究の動機と目的

• ハドリック衝突における高$x_\perp$での大スケールの$p_\perp$ハドロン生成で観測された大きなスケーリング指数の起源を調査すること。
• 観測されたNLO QCD予測からの逸脱が、ハドロンがハード過程で直接生成される高次位階寄与によるものかどうかを特定すること。
• ハドロン、プロンプト光子、ジェットの各チャネルにおいて、実験的スケーリング指数とNLO QCD予測を比較すること。
• RHICおよびLHCにおけるスケーリング指数の素性予測を、高次位階効果を考慮して提示すること。
• 孤立した大スケールの$p_\perp$ハドロンをトリガーすることで、高次位階ハドロプロダクション過程を強化・研究する手法を提案すること。

提案手法

• スケーリング指数$n^{{\rm exp}}$は、異なる中心系エネルギーでの$x_\perp$スペクトルから、関係式$n^{{\rm exp}} \equiv -\ln(\sigma^{\rm inv}(x_\perp, \sqrt{s}_1)/\sigma^{\rm inv}(x_\perp, \sqrt{s}_2)) / \ln(\sqrt{s}_1/\sqrt{s}_2)$を用いて抽出される。
• 理論的NLO QCDスケーリング指数$n^{{\rm NLO}}$は、固定$p_\perp = 10$ GeVでのさまざまなハドロン種類（$\pi$, $K$, $p/\bar{p}$）について計算される。
• リーディング位階期待値からの逸脱を定量化するため、差分$\Delta = n^{{\rm exp}} - n^{{\rm NLO}}$が評価され、不確実性は四乗和で結合される。
• 実験データへのフィットを用いて、RHIC（$\sqrt{s} = 200, 500$ GeV）およびLHC（$\sqrt{s} = 7$ TeV）における$\Delta^{{\rm fit}}$を予測し、PHENIXの予備測定と比較する。
• 本論文は、孤立した大スケールの$p_\perp$ハドロンをトリガーすることで、高次位階寄与を強化できると提唱している。これは、孤立性がリーディング位階フラグメンテーション過程を抑制するからである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ実験的スケーリング指数が、特に高$x_\perp$領域でNLO QCD予測を著しく上回るのか？
• RQ2 ハドロンがハード過程で直接生成される高次位階プロセスが、観測されたスケーリング挙動にどの程度寄与しているのか？
• RQ3 なぜプロンプト光子やジェット生成データはリーディング位階予測と一致するが、ハドロンデータは一致しないのか？
• RQ4 観測された逸脱はしきい値対数項で説明可能か、それとも高次位階寄与が不可欠なのか？
• RQ5 今後の加速器実験において、孤立性基準をどのように用いて高次位階ハドロプロダクションを強化・探査できるか？

主な発見

• 高$x_\perp \simeq 1$領域におけるハドロンの実験的スケーリング指数は$n^{{\rm exp}} \simeq 8$に達し、NLO QCD予測の$n^{{\rm NLO}} \simeq 6$を著しく上回っている。
• 差分$\Delta = n^{{\rm exp}} - n^{{\rm NLO}}$は$x_\perp$とともに増大し、最大$x_\perp$領域で$\Delta \simeq 2$に達する。
• プロンプト光子およびジェットデータはNLO予測と良好に一致しており、$\Delta \simeq 0$であり、これらのチャネルにおける高次位階寄与は最小限であることが示唆される。
• RHICにおける$\sqrt{s} = 500$ GeVのPHENIX予備測定は、フィットによる$\Delta^{{\rm fit}}$予測でよく説明されており、モデルの妥当性がRHICで裏付けられている。
• LHC（$\sqrt{s} = 7$ TeV）では、低$x_\perp \lesssim 5 \times 10^{-3}$領域で$\Delta^{{\rm fit}} \simeq 0.5$となり、$p_\perp$スケールが高いためNLO予測からの逸脱は小さくなっている。
• 孤立した大スケールの$p_\perp$ハドロンのトリガーが、高次位階信号を強化する手法として提案されている。これは、孤立性がリーディング位階フラグメンテーション過程を抑制するからである。