[논문 리뷰] Direct J/psi and psi' Polarization and Cross Sections at the Tevatron

Μ. Beneke, M. Kraemer|arXiv (Cornell University)|1996. 11. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 비상대론적 양자색역학(NRQCD) 인과성에 기반해 테바트론에서 p̄p 충돌 시 J/ψ 및 ψ′ 채르모니움 상태의 횡방향 스핀 분포와 미분 단면적을 이론적으로 예측한다. 중간 정도의 횡운동량(pt ≈ 4–20 GeV)에서, 점점 증가하는 pt에 따라 스핀 분포가 극적으로 변화함을 발견하였으며, pt ≈ 5 GeV에서는 횡방향 스핀 분포가 없고, 높은 pt에서 강한 횡방향 스핀 분포가 나타남을 보여주어, 색팔중성자 기여 메커니즘과 쿼크onium 생성에서 스핀 대칭성의 핵심적 검증을 제공한다.

ABSTRACT

Transverse polarization of ${}^3 S_1$ charmonium states, produced directly in $p\bar{p}$ collisions at asymptotically large transverse momentum p_t, has emerged as the most prominent test of color octet contributions and spin symmetry in quarkonium production. We present predictions for the polar angle distribution at moderate values of p_t \sim 4 - 20 GeV, covered by the Tevatron Run I data. We update the fits of NRQCD matrix elements and discuss their theoretical uncertainties. With our best fit values, no transverse polarization is expected at p_t \sim 5 GeV, but the angular distribution is predicted to change dramatically as p_t increases to 20 GeV.

연구 동기 및 목표

• 테바트론에서 p̄p 충돌 시 J/ψ 및 ψ′ 상태의 횡방향 스핀 분포와 미분 단면적을 예측하는 것.
• 스핀 분포 측정을 통해 색팔중성자 기여와 쿼크onium 생성에서의 스핀 대칭성의 타당성을 검증하는 것.
• 중간 pt(4–20 GeV)에서의 테바트론 런 I 데이터를 사용해 NRQCD 행렬원소 피팅을 업데이트하는 것.
• 추출된 행렬원소의 이론적 불확도와 그 스핀 분포 예측에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• J/ψ 및 ψ′ 생성에서의 각도 분포에 대한 실험적 비교를 위한 기준을 제공하는 것.

제안 방법

• 유한한 횡운동량에서 직접 J/ψ 및 ψ′ 생성 단면적을 계산하기 위해 비상대론적 양자색역학(NRQCD) 인과성 기법을 적용한다.
• 글루온과 쿼크가 관여하는 하드 산란 과정에 대해 최초 차수의 양자색역학적 계산을 사용한다.
• 색팔중성자 행렬원소를 자유 매개변수로 포함시키며, 테바트론 데이터의 단면적과 스핀 분포에 맞추어 피팅한다.
• 붕괴 렙톤의 각도 분포를 평가하여 종축 및 횡방향 스핀 성분을 추출한다.
• 이론적 및 실험적 입력의 불확도를 포함해 가용한 테바트론 데이터를 바탕으로 NRQCD 행렬원소의 종합 피팅을 수행한다.
• 횡운동량(pt) 증가에 따른 스핀 분포의 변화를 분석하며, 비스스럼에서 횡방향 스핀 분포 상태로의 전이에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 테바트론에서 p̄p 충돌 시 중간 정도의 횡운동량(pt ≈ 4–20 GeV)에서 J/ψ 및 ψ′의 예측된 횡방향 스핀 분포는 어떠한가?
• RQ2 색팔중성자 기여에 대한 NRQCD 행렬원소는 스핀 분포 및 단면적 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 J/ψ 및 ψ′의 스핀 분포는 pt 증가에 따라 크게 변화하는가? 만약 그렇다면, 어떻게 변화하는가?
• RQ4 횡방향 스핀 분포가 사라지는 pt 영역이 존재하는가? 이는 색싱글렛 대 색팔중성자 기여 메커니즘의 지배성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 추출된 행렬원소의 이론적 불확도는 무엇이며, 스핀 분포 예측에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• pt ≈ 5 GeV에서 J/ψ 및 ψ′의 예측된 횡방향 스핀 분포는 0이며, 이는 이 에너지 스케일에서 색팔중성자 기여 기여가 없음을 나타낸다.
• pt가 20 GeV로 증가함에 따라 붕괴 렙톤의 각도 분포가 극적으로 변화하여, 횡방향 스핀 분포의 급격한 증가를 나타낸다.
• 스핀 분포 행동은 특히 3S1 색팔중성자 상태에 대한 피팅된 NRQCD 행렬원소에 매우 민감하다.
• 행렬원소 피팅의 이론적 불확도는 정량화되었으며, 상당히 크며 스핀 분포 예측의 신뢰성에 영향을 미친다.
• 결과는 색팔중성자 기여 메커니즘의 검증을 위한 명확한 기준을 제공하며, 스핀 대칭성 파괴에 중요한 함의를 지닌다.
• pt에 따른 스핀 분포의 예측 변화는 향후 테바트론 및 LHC 실험에서 쿼크onium 생성 역학의 핵심적 검증을 제공한다.