[論文レビュー] Ultra-peripheral nuclear collisions as a source of heavy quarkonia

B. Z. Kopeliovich, M. Krelina+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2020

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、超並進核衝突（UPC）における重いクォーカーモノウム生成のための洗練されたQCDドロップルモデルを提示する。このモデルは、シュレーディンガー方程式とローレンツブーストを用いて現実的なクォーカーモノウム波動関数を組み込み、有限なコherー二ン長の効果とグルーオンシャドウイングをグリーン関数形式で扱う。LHCのcoherent $J/\!\psi$および$\Upsilon$生成データと良好な一致を示し、将来の電子-イオン衝突装置実験における改善された予測を提供する。

ABSTRACT

Heavy quarkonium production in ultra-peripheral nuclear collisions (UPC) is described within the QCD dipole formalism. Realistic quarkonium wave functions in the $Q\bar Q$ rest frame are calculated by solving the Schrödinger equation with a subsequent Lorentz boost to high energy. We rely on several realistic $Q\bar Q$ potentials, which allow to describe well the quarkonium masses and decay widths, as well as data on diffractive electroproduction of quarkonia on protons. Nuclear effects are calculated with the phenomenological dipole cross sections fitted to DIS data. The higher twist quark shadowing related to the lowest $Q\bar Q$ Fock component of the photon, as well as the leading twist gluon shadowing, related to higher components containing gluons, are included. The results for coherent and incoherent photoproduction of charmonia and bottomonia in UPC of heavy nuclei are in good accord with available data from the LHC. They can also be verified in future experiments at electron-ion colliders.

研究の動機と目的

• 現実的なクォーカーモノウム波動関数を組み込むことで、超並進核衝突（UPC）における重いクォーカーモノウム光生成の理論的記述を改善すること。
• 特に前向き／後向きのラピディティ領域において、エイコナール近似を超えて有限なコherー二ン長の効果を考慮すること。
• グリーン関数形式を用いて、光子の高次フォック状態（$|Q\bar{Q}G\rangle$）からのグルーオンシャドウイングを含めること。
• チャームォンウムおよびボトムォンウム生成における波動関数モデルとドロップル断面積の理論的不確実性を定量化すること。
• 将来の電子-イオン衝突装置での検証が可能な、RHICおよびLHCにおけるUPCでのcoherentおよびincoherentクォーカーモノウム生成の予測断面積を提供すること。

提案手法

• 実際の$Q\bar{Q}$ポテンシャルを用いてシュレーディンガー方程式を解き、$Q\bar{Q}$静止系におけるクォーカーモノウム波動関数を求める。
• 波動関数のライトフロント系へのブーストをテレンチェフの手続きに従って適用し、精度を保持する。
• スピン行列式の正しく分離できる形を得るために、静止系からライトフロント系へのスピンルーティングをメローシュ回転を用いて行う。
• 経路積分技法とグリーン関数形式を用いて、特に$l_c \ll R_A$のときの有限なコherー二ン長の効果を厳密に取り扱う。
• $|Q\bar{Q}\rangle$フォック状態からの高次ツイストクォークシャドウイングと、$|Q\bar{Q}G\rangle$成分からの一次ツイストグルーオンシャドウイングを含める。
• 理論的不確実性の推定のため、複数の事象的ドロップル断面積（KST、GBW、BGBK）をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限なコherー二ン長の効果は、UPCにおけるクォーカーモノウムのラピディティ分布を、前向き／後向きのラピディティ領域でどのように変化させるか？
• RQ2 光子の高次フォック状態からのグルーオンシャドウイングは、クォーカーモノウム生成断面積にどのような影響を及えるか？
• RQ3 異なる$Q\bar{Q}$ポテンシャルとドロップル断面積は、UPCにおける$J/\!\psi$および$\Upsilon$生成の理論的予測にどのように影響を与えるか？
• RQ4 有限なコherー二ン長補正は、核物質中で標準的なエイコナール近似をどの程度無効にするか？
• RQ5 このモデルは、LHCにおけるcoherent $J/\!\psi$および$\Upsilon$光生成のデータを、より高い精度で再現できるか？

主な発見

• モデルは、中間ラピディティ領域におけるUPCにおけるcoherent $J/\!\psi(1S)$および$\psi^\prime(2S)$光生成について、LHCデータと良好な一致を示す。
• 有限なコherー二ン長補正は、$l_c \ll R_A$のとき、特に前向き／後向きのラピディティ領域でラピディティ分布を顕著に変化させ、エイコナール近似を無効にする。
• $|Q\bar{Q}G\rangle$フォック状態からのグルーオンシャドウイングが核抑制を支配し、伝搬中のサイズのフラクチュエーションのため、グリーン関数形式が不可欠である。
• チャームォンウム生成における理論的不確実性の主な要因は波動関数モデルの選択に起因するが、ボトムォンウムでは主にドロップル断面積パラメータ化によるものである。
• 高ラピディティ領域では、エイコナールベースの計算とは顕著なずれを予測し、将来の電子-イオン衝突装置実験での検証可能なシグネチャを提供する。
• 現実的な波動関数とスピン回転の組み込みにより、$D$波成分を過剰に評価するモデルと比較して、断面積予測の精度が向上する。