[論文レビュー] Multiparton pp and pA collisions -- from geometry to parton-- parton correlations

B. Blok, M. Strikman|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2017

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、フェ Feynman 図解析を用いて、pp および pA 衝突におけるマルチパートオン相互作用の断面積を導出し、二重一般化パートオン分布（GPD）を用いて表現する。3つのメカニズム—平均場、pQCD 由来の相関、非摂動的相関—が、LHC および Tevatron の運動量領域において実験データを包括的に説明する。pQCD 由来の相関は、大 $p_\perp$ および $x \sim 0.001$--0.1 において断面積を 1.5–2× まで増幅させるが、小 $x$（$10^{-4}$--$10^{-3}$）では非摂動的効果が支配的となる。

ABSTRACT

We derive expressions for the cross section of the multiparton interactions based on the analysis of the relevant Feynman diagrams. We express the cross sections through the double (triple, ...) generalized parton distributions (GPDs). In the mean field approximation for the double GPDs the answer is expressed through the integral over two gluon form factor which was measured in the exclusive DIS vector meson production.We explain under what conditions the derived expressions correspond to an intuitive picture of hard interactions in the impact parameter representation. The mean field approximation in which correlations of the partons are neglected fail to explain the data, while pQCD induced correlation enhance large $p_\perp$ and $ 0.001 < x < 0.1$ typically enhance the cross section by a factor of 1.5 -- 2 explaining the current data. We argue that in the small x kinematics ($10^{-4} \le x \le 10^{-3}$) where effects of perturbative correlations diminish, the nonperturbative mechanism kicks in and generates positive correlations comparable in magnitude with the perturbative ones. We explain how our technique can be used for calculations of MPI in the proton - nucleus scattering. The interplay of hard interactions and underlying event is discussed, as well as different geometric pictures for each of MPI mechanisms-pQCD, nonperturbative correlations and mean field. Predictions for value of \effs for various processes and a wide range of kinematics are given. We show that together different MPI mechanisms give good description of experimental data, both at Tvatron, and LHC, including the central kinematics studied by ATLAS and CMS detectors, and forward (heavy flavors) kinematics studied by LHCb.

研究の動機と目的

• LHC や Tevatron における多重パートオン相互作用（MPI）の観測断面積を説明する長年の課題に取り組み、平均場近似だけでは説明できない現象を解明する。
• 大横方向運動量および中程度の $x$ におけるハード MPI 確率を増幅させる摂動的 QCD（pQCD）由来のパートオン相関の役割を特定・定量する。
• 小 $x$ 域（$10^{-4} \leq x \leq 10^{-3}$）において、pQCD 支配の相関から非摂動的相関への遷移を特徴づけ、非摂動的メカニズムが顕著な正の相関を生成することを明らかにする。
• 幾何的および相関効果を組み込むことで、陽子-核衝突における MPI の統一的枠組みを構築する。
• 中央（ATLAS, CMS）および前方（LHCb）生成領域を含む多様な運動量領域における有効断面積 $\sigma_{\rm eff}$ の定量的予測を提供する。

提案手法

• フェ Feynman 図解析を用いて二重パートオン散乱（DPS）断面積を導出し、二重一般化パートオン分布（GPD）の畳み込みとして表現する。
• 二重 GPD に対して平均場近似を適用し、単一 GPD の積に簡略化する。これらの単一 GPD は、特異的ベクトルメソン生成データによって制約される。
• HERA データから抽出され、指数関数的またはドーピング形式でパラメータ化された二重グルーオン形因子 $F_{2g}(x, \rho | Q^2)$ を用い、横方向インパクトパラメータ空間におけるグルーオンの空間的分布をモデル化する。
• GPD の進化を介して pQCD 由来の相関を導入し、平均場を超える二重 GPD の修正を実現。これにより、大 $p_\perp$ および中程度の $x$ における断面積が増幅される。
• 小 $x$ 域における非摂動的相関を、因子化の破綻および非因子化初期条件の役割を分析することで扱う。
• 有効断面積 $\sigma_{\rm eff}$ を、3つの異なるメカニズムに分解して幾何的図式を構築する：平均場（中央）、pQCD 相関（中間）、非摂動的相関（周辺）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 摂動的および非摂動的パートオン-パートオン相関は、pp および pA 衝突におけるマルチパートオン相互作用の断面積にどのように寄与するか？
• RQ2 二重グルーオン形因子 $F_{2g}(x, \rho | Q^2)$ は、パートオンの空間的分布およびそれによる MPI 断面積をどのように決定するか？
• RQ3 pQCD 由来の相関は、大 $p_\perp$ および $x \sim 0.001$--0.1 において DPS 断面積をどのように増幅させ、平均場近似と比較して何倍の割合でレートを増加させるか？
• RQ4 小 $x$ 域（$10^{-4} \leq x \leq 10^{-3}$）において顕著な正のパートオン相関を生成するメカニズムは何か？また、pQCD 効果と定量的に比較するとどうなるか？
• RQ5 平均場、pQCD、非摂動的メカニズムの合算寄与が、LHC および Tevatron の中央および前方運動量領域における $\sigma_{\rm eff}$ の実験データの全範囲をどの程度説明できるか？

主な発見

• パートオン相関を無視する平均場近似は、大 $p_\perp$ および $x \sim 0.001$--0.1 において実験データを説明できず、DPS 断面積を 1.5–2 倍低く見積もる。
• pQCD 由来の相関は、大 $p_\perp$ および $x \sim 0.001$--0.1 において DPS 断面積を 1.5–2 倍増幅させ、平均場近似と実験データの乖離を定量的に説明する。
• 小 $x$ 域（$10^{-4} \leq x \leq 10^{-3}$）では、非摂動的相関が支配的となり、pQCD に匹敵する大きさの正の相関を生成する。pQCD 効果が弱まる領域でもデータを説明できる。
• 有効断面積 $\sigma_{\rm eff}$ は、平均場（中央）、pQCD 相関（中間）、非摂動的相関（周辺）の3つの寄与の和としてよく記述され、それぞれが異なるインパクトパラメータ領域に対応する。
• 中央（ATLAS, CMS）および前方（LHCb）生成領域を含む広範な運動量領域における $\sigma_{\rm eff}$ の予測は、LHC および Tevatron の実験データと良好に一致する。
• 特異的ベクトルメソン生成から抽出された二重グルーオン形因子 $F_{2g}(x, \rho | Q^2)$ は、グルーオンの空間的分布をモデル化する上で重要な入力であり、MPI の幾何的図式の妥当性を検証する手がかりを提供する。