[논문 리뷰] Energy Dependence of Direct-Quarkonium Production in pp Collisions from Fixed-Target to LHC Energies: Complete One-Loop Analysis

Yu Feng, Jean-Philippe Lansberg외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 47인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 고정대상에서 LHC 에너지까지의 pp 충돌에서 직접 쿼크onium 생성을 비상대론적 양자역학(비상대론적 QCD, NRQCD) 프레임워크 내에서 완전한 1차 교정(Next-to-Leading-Order, NLO) 계산을 제시한다. 여기서는 P_T-차수 수확률에 대한 NLO에 적합된 색-팔중도 장거리 행렬원소(LDMEs)를 사용하여 P_T-통합 단면적을 예측한다. 분석 결과, LHC 에너지에서 색-팔중도 기여를 포함한 NRQCD는 실험 데이터를 4–10배 과대 예측하는 것으로 나타났으며, 반면 NLO에서의 색-단일도 모델은 물리적으로 타당하지 않은 에너지 의존성을 보이며, 이는 전체 2차 교정(Next-to-Next-to-Leading-Order, NNLO) 또는 초기 상태 복사의 합산을 통한 해결이 필요함을 시사한다.

ABSTRACT

We compute the energy dependence of the P_T-integrated cross section of directly produced quarkonia in pp collisions at next-to-leading order (NLO), namely up to alpha_s^3, within nonrelativistic QCD (NRQCD). Our analysis is based on the idea that the P_T-integrated and the P_T-differential cross sections can be treated as two different observables. The colour-octet NRQCD parameters needed to predict the P_T-integrated yield can thus be extracted from the fits of the P_T-differential cross sections at mid and large P_T. For the first time, the total cross section is evaluated in NRQCD at full NLO accuracy using the recent NLO fits of the P_T-differential yields at RHIC, the Tevatron and the LHC. Both the normalisation and the energy dependence of the J/psi, psi' and Upsilon(1S), we obtained, are in disagreement with the data irrespective of the fit method. The same is true if one uses CEM-like colour-octet NRQCD parameters. If, on the contrary, one disregards the colour-octet contribution, the existing data in the TeV range are well described by the alpha_s^3 contribution in the colour-singlet model --which, at alpha_s^4, however shows an unphysical energy dependence. A similar observation is made for eta(c,b). This calls for a full NNLO or for a resummation of the initial-state radiation in this channel. In any case, past claims that colour-octet transitions are dominantly responsible for low-P_T quarkonium production are not supported by our results. This may impact the interpretation of quarkonium suppression in high-energy proton-nucleus and nucleus-nucleus collisions.

연구 동기 및 목표

• 고정대상에서 LHC 에너지까지의 pp 충돌에서 NRQCD의 완전한 NLO 정확도로 P_T-통합 직접 쿼크onium 단면적의 에너지 의존성을 계산하는 것.
• 중간 및 고P_T 영역에서 P_T-차수 데이터에 적합된 색-팔중도 LDMEs가 NLO 수준에서 P_T-통합 수확률을 일관적으로 기술할 수 있는지 테스트하는 것.
• 저P_T 쿼크onium 생성에서 색-팔중도 지배 가정의 타당성을 평가하는 것.
• NRQCD에 재구성된 색-증발 모델(Central Evaporation Model, CEM)이 P_T-통합 수확률을 재현할 수 있는지 조사하는 것.
• 이론과 실험 간의 괴리의 근본 원인을 규명하는 것, 특히 고에너지에서 NLO 단면적의 물리적으로 타당하지 않은 행동

제안 방법

• NRQCD 인과성 분해를 사용하여 pp 충돌에서 직접 쿼크onium 생성에 대한 완전한 1차 교정(NLO) 계산을 수행한다.
• RHIC, 테바트론, LHC에서 P_T-차수 단면적에 대한 적합을 통해 도출된 NLO에 적합된 색-팔중도 LDMEs를 사용하여 P_T-통합 수확률을 예측한다.
• NLO에서의 색-단일도 모델(CSM) 예측을 데이터와 비교하며, 에너지 의존성과 단면적의 부호를 고려한다.
• Bodwin 등(2005)에서 유도된 LDMEs를 사용하여 NRQCD 내에서 CEM 유사 접근법을 적용하여 P_T-통합 데이터와의 일관성을 시험한다.
• 고중심-질량 에너지에서 NLO 단면적의 행동을 분석하며, 부호 변화 및 물리적으로 타당하지 않은 행동을 포함한다.
• 초기 상태 복사 및 고차수 기여의 역할을 관찰하여 관측된 괴리의 해결책으로서의 가능성 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간 및 고P_T 영역에서 P_T-차수 데이터에 적합된 색-팔중도 LDMEs가 NLO 수준에서 pp 충돌에서 P_T-통합 쿼크onium 수확률을 일관되게 기술할 수 있는가?
• RQ2 왜 NLO NRQCD 예측에서 색-팔중도 기여를 포함한 경우 LHC 에너지에서 측정된 P_T-통합 단면적이 크게 과대 예측되는가?
• RQ3 NLO에서의 색-단일도 모델이 직접 쿼크onium 생성의 에너지 의존성을 일관되게 기술할 수 있는가, 아니면 부정적인 단면적과 같은 물리적으로 타당하지 않은 행동을 보이는가?
• RQ4 CSM에서 유도된 LDMEs를 사용한 CEM 유사 NRQCD 접근법이 P_T-통합 데이터를 재현할 수 있는가?
• RQ5 관측된 괴리의 원인은 무엇인가 — 초기 상태 복사, 고차수 보정, 비추상적 효과 중 어느 것이 가능한가?

주요 결과

• P_T-차수 데이터에 적합된 색-팔중도 LDMEs를 사용한 NRQCD는 LHC 에너지에서 J/ψ, ψ′, Υ(1S)의 P_T-통합 단면적을 4배에서 10배 이상 과대 예측한다.
• NLO에서의 색-단일도 모델은 데이터의 에너지 의존성을 더 잘 기술하지만, 특정 스케일 선택에서 고에너지 √s에서 부정적인 단면적을 보이며 물리적으로 타당하지 않은 행동을 나타낸다.
• 이러한 물리적으로 타당하지 않은 행동은 η_c,b와 같은 스핀-단일도 쿼크onium에서도 관찰되며, NLO에서의 양자역학적 전개에 체계적인 문제가 있음을 시사한다.
• CEM 유사 NRQCD 접근법은 P_T-통합 수확률을 재현하지 못하지만, 한 번의 교정에서 수행된 표준 CEM 구현은 이 문제를 보이지 않는다.
• 이 결과들은 이전의 저P_T 쿼크onium 생성에서 색-팔중도 지배 가정을 주장하는 것은 조속한 것으로, NRQCD의 NLO 수준으로는 전체 데이터를 일관되게 기술할 수 없음을 시사한다.
• 괴리의 근본 원인은 전체 NNLO 계산 또는 초기 상태 복사의 합산이 필요함을 시사한다.