[論文レビュー] Production of $J/ψ+ χ_c$ and $J/ψ+ J/ψ$ with real gluon emission at LHC

A. K. Likhoded, A. V. Luchinsky+1 more|Jun 21, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、LHCにおける$J/\psi + \chi_c$および$J/\psi + J/\psi$最終状態の生成を、次-leading order (NLO*)における実際のグルーオン放出を通じて調査し、特に$C$-パリティの保存によりLOで禁止される$J/\psi + \chi_c$では、高次の寄与が支配的であることを示している。実グルーオン放出の取り入れにより、背中合わせの相関などの運動論的問題が解消され、直接生成、フィードダウン、二重部分子散乱メカニズムの区別が、特徴的な運動論的分布を通じて可能になる。

ABSTRACT

In the present work we study production of $J/ψ+ χ_c$ and $J/ψ+ J/ψ$ in LHC. The first process is forbidden at the leading order in gluon fusion due to the $C$-parity conservation, and the first non-vanishing contribution is given by the process with additional emission of real gluon. Considering the direct production of $J/ψ+ J/ψ$, where the leading order is allowed, we have found that the contribution from the higher order process with real gluon emission is comparable and even more significant than the leading order. Moreover, account of this higher order effect dramatically changes kinematical distributions. Through the present paper we study in details different channels of paired $J/ψ+ J/ψ$ production: direct $J/ψ+ J/ψ$ production, feed-down from $J/ψ+ χ_c$ channel, double parton scattering. We also try to find kinematical distributions that are most suitable to separate these different channels.

研究の動機と目的

• C-パリティ保存によりLOで禁止される$J/\psi + \chi_c$生成における実グルーオン放出の役割を分析すること。
• LOが許容されるにもかかわらず、$J/\psi + J/\psi$生成におけるNLO*（実グルーオン放出）寄与の重要性を評価すること。
• ペアドチャロンニウム生成における直接的、フィードダウン、二重部分子散乱（DPS）寄与を区別できる運動論的分布を同定すること。
• LOの$2\to2$過程における強い背中合わせの運動論的構造を、実グルーオン放出を組み込むことで解消すること。
• 微分断面積の相関解析を通じて、生成メカニズムの背後にある機構を区別するフレームワークを提供すること。

提案手法

• 実グルーオン放出によるNLO*寄与をモデル化するため、パートンレベルの$gg \to J/\psi + \chi_c + g$および$gg \to J/\psi + J/\psi + g$過程の使用。
• 実グルーオン放出によるLOを超える寄与の重要性を評価するため、$O(\alpha_S^5)$計算の適用。
• 実グルーオン放出に起因する初期状態および最終状態の共線特異性を正則化するための運動論的カットの実装。
• 異なる生成チャネル（プロンプト、フィードダウン、DPS）間の区別可能性を定量化するため、ピアソン相関係数$\mathcal{P}^v_{ij}$の使用。
• イベントジェネレータコード（Bitbucketに公開）の使用による微分断面積および運動論的分布のシミュレーションと解析。
• 色構造とファイマン図の寄与を分析することで、$J/\psi + \chi_c$と$J/\psi + J/\psi$生成メカニズムの比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 C-パリティ保存によりLOが禁止される$J/\psi + \chi_c$生成において、NLO*の実グルーオン放出寄与はどの程度顕著か？
• RQ2 $J/\psi + J/\psi$生成における実グルーオン放出の寄与は、LO断面積に対してどの程度大きいか？
• RQ3 どの運動論的分布（例：不変質量、横運動量、方位角）が、直接的、フィードダウン、二重部分子散乱寄与を最も効果的に区別できるか？
• RQ4 実グルーオン放出は、LOの$2\to2$過程における背中合わせの運動論的構造をどのように解消するか？
• RQ5 実グルーオン放出を伴う$J/\psi + \chi_c$と$J/\psi + J/\psi$生成において、顕著な色構造とファイマン図の寄与は何か？

主な発見

• $J/\psi + \chi_c$生成におけるNLO*断面積は、$C$-パリティ抑制および非自明なキャンセレーションのため、驚くほど小さく、ピコバーンオーダーにとどまる。
• $J/\psi + J/\psi$生成においては、NLO*断面積がLO断面積を上回り、$\sqrt{s} = 13\,\text{TeV}$で数ナノバーンに達する。
• 実グルーオン放出の取り入れにより、LOの$2\to2$過程における物理的でない背中合わせの運動論的構造が解消され、$p_T$、$\Delta\phi$、$A_T$における非自明な分布が可能になる。
• 方位角非対称性$\Delta\phi$は、$J/\psi + J/\psi$とDPSの間で最高のピアソン相関（$\mathcal{P}^{\Delta\phi}_{ij} = 0.79$）を示し、主要な区別指標となる。
• 横運動量非対称性$A_T$および急速度$y_{J/\psi}$は、強力な区別可能性を示し、$J/\psi + J/\psi$対$J/\psi + \chi_c$では$\mathcal{P}^{y_{J/\psi}}_{ij} = 0.54$を示す。
• 不変質量分布$m_{J/\psi + J/\psi}$および全横運動量$p_T^{J/\psi + J/\psi}$も、区別が測定可能であり、$J/\psi + J/\psi$対DPSでは$\mathcal{P}^{m_{J/\psi + J/\psi}}_{ij} = 0.21$を示す。