[논문 리뷰] Complete calculation of exclusive heavy vector meson production at next-to-leading order in the dipole picture

Heikki Mäntysaari, Jani Penttala|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 29.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 89인용 수 60

한 줄 요약

이 논문은 QCD 보정(∼αs)과 상대론적 보정(∼v²)을 포함한 색 유리 응축기(CGC) 프레임워크에서 배타적 횡방향 편광된 무거운 벡터 메손 생성의 최초의 다음 주요 순서(NLO) 계산을 제시한다. 이는 O(αsv⁰, α₀sv²) 정확도를 달성하며, HERA 및 LHC 데이터와 양호한 일치를 보이며, 벡터 메손 생성이 구조 함수 분석만으로는 불가능한 블라티스키-코브체프(Balitsky-Kovchegov, BK) 방정식의 비퍼트루바티브 초깃값에 대한 더 강력한 제약 조건을 제공한다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

Exclusive production of transversely polarized heavy vector mesons in deep inelastic scattering at high energy is calculated at next-to-leading order accuracy in the Color Glass Condensate framework. In addition to the first QCD correction proportional to the strong coupling constant $\alpha_s$, we systematically also include the first relativistic correction proportional to the heavy quark velocity squared $v^2$. When combined with our previously published results for longitudinal vector meson production at next-to-leading order accuracy, these results make phenomenological calculations of heavy vector meson production possible at the order $\mathcal{O}(\alpha_s v^0, \alpha_s^0 v^2)$. When applied to $\mathrm{J}/\psi$ and $\Upsilon$ production at HERA and at the LHC, a good agreement between the next-to-leading order calculations and experimental data is found. Additionally, we demonstrate that vector meson production can provide additional constraints compared to structure function analyses when the nonperturbative initial condition for the Balitsky-Kovchegov evolution equation is extracted.

연구 동기 및 목표

• 색 유리 응축기(CGC) 프레임워크 내에서 두원자 모형(dipole picture)을 통한 배타적 무거운 벡터 메손 생성의 NLO 계산을 완료하는 것.
• 생산 진폭에 다음 주요 순서 QCD 보정(∼αs)과 주요 상대론적 보정(∼v²)을 체계적으로 포함하는 것.
• HERA 및 LHC의 실험 데이터와 일치하는 O(αsv⁰, α₀sv²) 정확도로 J/ψ 및 Υ 생성의 현상학적 연구를 가능하게 하는 것.
• 벡터 메손 생성이 비퍼트루바티브 초깃값에 대한 제약 조건을 구조 함수 측정보다 더 강하게 제공한다는 것을 입증하는 것 — Balitsky-Kovchegov(BK) 진화 방정식의 비퍼트루바티브 초깃값에 대해.

제안 방법

• 가상 광자가 타겟과 상호작용하기 전에 q¯q 두원자로 분리되는 고에너지 산란을 기술하기 위해 두원자 모형을 사용하는 것.
• 횡방향 편광된 벡터 메손의 NLO 산란 진폭을 계산하며, NLO 단계에서 광자가 q¯q 및 q¯qg Fock 상태로 분리되는 기여를 포함하는 것.
• 비상대론적 양자역학(QCD)의 행렬 원소를 사용하여 무거운 쿼크 속도 의존성을 모델링하기 위해 빛의 앞면 파동함수 형식론을 통해 상대론적 보정을 통합하는 것.
• 초기 조건을 HERA의 구조 함수 데이터에 맞춘 NLO 정확도로, NLO 두원자-타겟 산란 진폭을 BK 방정식을 통해 진화시키는 것.
• 다양한 초깃속도 설정(Y₀,BK = 4.61 및 Y₀,BK = 0)을 사용하여 KCBK 진화 방정식을 통해 미분 및 총 단면적을 수치적으로 평가하는 것.
• J/ψ 및 Υ 광생성에 대한 HERA 및 LHC 데이터와의 비교를 통해 t-적분 단면적 및 W 의존성에 대한 분석을 수행하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CGC 프레임워크에서 QCD 보정과 상대론적 보정을 모두 포함한 배타적 횡방향 편광된 무거운 벡터 메손 생성이 NLO 정확도로 계산될 수 있는가?
• RQ2 NLO QCD 보정과 상대론적 보정(∼v²)은 HERA 및 LHC에서 J/ψ 및 Υ 생성의 총 단면적과 미분 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 벡터 메손 생성은 구조 함수 측정에 비해 BK 방정식의 비퍼트루바티브 초깃값에 대해 얼마나 더 강력한 제약 조건을 제공하는가?
• RQ4 다른 초깃속도 진화 설정(Y₀,BK = 4.61 대비 Y₀,BK = 0)은 특히 저에너지 중심질량 시스템에서 NLO 단면적에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• O(αsv⁰, α₀sv²) 정확도로 횡방향 편광된 J/ψ 생성에 대한 NLO 계산은 상대론적 보정을 포함할 경우 HERA 및 LHC 데이터와 양호한 일치를 보인다.
• 상대론적 보정은 특히 낮은 광자 가상성에서 NLO 보정보다 더 크게 작용하여 HERA 데이터와의 일치를 약간 향상시킨다.
• Υ 광생성의 경우, 모든 W 범위에서 상대론적 보정은 작다(~3%), 그러나 NLO 보정은 주로 선형 보정 대비 W 의존성을 크게 감소시킨다.
• Y₀,BK = 0(초기 진화 없음)인 두원자 진폭 피팅을 사용할 경우, NLO 보정은 매우 크며 저에너지 W 에서는 음수 단면적까지 유도하여 초깃값 모델링에 대한 민감도를 보여준다.
• 결과는 벡터 메손 생성이 구조 함수 분석보다 비퍼트루바티브 초깃값에 더 민감하며, BK 방정식의 초깃값에 대한 더 강력한 제약 조건을 제공한다는 것을 입증한다.
• NLO QCD 보정과 상대론적 보정을 동시에 포함함으로써, O(αsv⁰, α₀sv²) 정확도에서 배타적 무거운 벡터 메손 생성의 첫 번째 일관된 현상학적 연구가 가능해졌으며, 향후 EIC 및 LHC UPC 물리 연구의 길을 열었다.