[논문 리뷰] Exclusive double quarkonium production and generalized TMDs of gluons

Shohini Bhattacharya, Andreas Metz외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 28.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 양성자-양성자 충돌에서 독립적 이중 쿼크onium 생성(ηc 또는 ηb)을 통해 양성자 껍질의 일반화된 횡방향 운동량 의존성 부분입자 분포(GTMDs)를 새로운 방법으로 탐색할 수 있음을 제안한다. 1차 순서 양성자 QCD 및 편광 관측량을 사용하여, GTMD $F_{1,4}$ 는 특정 간섭 항을 통해 접근 가능하다는 것을 보여주며, $G_{1,1}$ 은 현재의 관측량으로는 실험적으로 도전적이지만, 초기 상태의 두 양성자 모두의 편광을 고려할 경우 감도가 향상될 수 있다.

ABSTRACT

Being the "mother distributions" of all types of two-parton correlation functions, generalized transverse momentum dependent parton distributions (GTMDs) have attracted a lot of attention over the last years. We argue that exclusive double production of pseudoscalar quarkonia ($η_c$ or $η_b$) in nucleon-nucleon collisions gives access to GTMDs of gluons.

연구 동기 및 목표

• 현재 측정하기 어려운 일반화된 횡방향 운동량 의존성 부분입자 분포(GTMDs)의 양성자에 대한 새로운 실험적 접근 채널을 확립하기 위해.
• 특히 $F_{1,4}$ 와 $G_{1,1}$ 과 같은 특정 양성자 GTMDs를, 양성자-양성자 충돌에서의 독립적 이중 쿼크onium 생성을 통해 측정할 수 있는지 탐색하기 위해.
• GTMD의 허수부와 실수부를 분리할 수 있는 편광 관측량을 규명하여, 특히 부분입자 궤도 운동량과 관련된 $F_{1,4}$ 를 중심으로 하기 위해.
• 다양한 편광 설정(예: 단일 vs. 이중 양성자 편광)이 서로 다른 GTMD 성분에 대해 어떤 감도를 가지는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 양성자-양성자 충돌에서의 독립적 이중 쿼크onium 생성에 대해 1차 순서(LO) 양성자 QCD 분석을 수행하며, 주로 편자 쿼크onium(ηc 또는 ηb)를 대상으로 한다.
• 양성자 GTMDs를 정의하기 위해 비대칭 양성자-양성자 상관관계를 사용하며, 특히 양성자 스핀 구조와 관련된 $F_{1,4}$ 와 $G_{1,1}$ 을 주요 타깃으로 삼는다.
• 초기 상태의 한 양성자의 스핀 정렬 축과 최종 상태의 양성자 반동 편광 측정을 포함한 편광 관측량을 구성하여 GTMD 간의 간섭 항을 탐색한다.
• 단면적의 각도 의존성(φ)을 분석하여 GTMD 간섭 항에 대한 정보를 추출하며, 특히 $F_{1,4}$ 와 관련된 허수부에 초점을 맞춘다.
• 관측량 $\frac{1}{2}(\tau_{UL} + \tau_{LU})$ 와 그 실수부 대응 관측량 $\frac{1}{2}(\tau_{XY} - \tau_{YX})$ 을 고려하여, 각각 $F_{1,4}$ 와 $G_{1,1}$ 을 GTMD 곱의 실수부와 허수부로부터 접근한다.
• GTMD의 계층적 구조를 적용하여, $F_{1,1}$ 과의 결합으로 인해 $F_{1,4}$ 와 관련된 항이 우세할 것으로 추론하며, 이는 $F_{1,1}$ 이 크고 잘 알려져 있기 때문이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양성자-양성자 충돌에서 편자 쿼크onium의 독립적 이중 생성이 양성자 GTMDs에 접근할 수 있는가?
• RQ2 이 과정에서 편광 관측량을 통해 측정 가능한 특정 GTMDs—$F_{1,4}$ 와 $G_{1,1}$ —는 무엇인가?
• RQ3 $F_{1,4}$ 의 허수부는 접근 가능한가? 실수부는 다른 편광 관측량을 통해 추출할 수 있는가?
• RQ4 $G_{1,1}$ 에 대한 감도는 두 초기 상태의 양성자 모두를 편광시킬 경우 향상되는가?
• RQ5 다른 GTMD 간의 간섭 항은 측정 가능한 단면적 비대칭성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 양성자-양성자 충돌에서의 독립적 이중 쿼크onium 생성은 1차 순서 양성자 QCD에서 양성자 GTMDs를 탐색할 수 있는 실현 가능한 채널을 제공하며, 특히 ERBL 영역에서 그러하다.
• 편광 관측량 $\frac{1}{2}(\tau_{UL} + \tau_{LU})$ 는 $\vec{\beta}_{\perp} \cdot \vec{k}_{a\perp} \, F_{1,4}(x_a, \vec{k}_{a\perp}) \, F_{1,1}(x_b, \vec{k}_{b\perp})$ 곱의 허수부에 접근 가능하게 하며, 이는 $F_{1,4}$ 가 이 간섭 항을 통해 연구될 수 있음을 시사한다.
• 관측량 $\frac{1}{2}(\tau_{XY} - \tau_{YX})$ 는 $F_{1,4}$ 의 실수부를 추출할 수 있게 하며, 이는 현재 GTMD 현상학에서 주요 관심사이다.
• 기존에 $F_{1,1}$ 과 결합된 항이 우세하므로, $F_{1,4}$ 기여는 $G_{1,1}$ 과 관련된 항보다 크게 예상되며, 이는 실험적으로 $F_{1,4}$ 가 더 접근 가능하다는 것을 의미한다.
• 현재 한 개의 초기 상태 양성자만 편광된 설정에서는 $G_{1,1}$ 을 분리하기 위한 충분한 감도가 부족하지만, 두 양성자 $N_a$ 와 $N_b$ 를 모두 편광시킬 경우 $G_{1,1}$ 에 접근할 수 있는 길이 열릴 수 있다.
• 단면적의 각도 의존성(φ)은 $F_{1,4}$ 와 $G_{1,1}$ 기여를 분리하는 데 도움이 되지 않으며, 외부 의존성이 동일하기 때문이다. 이는 다른 관측량이 필요함을 강화한다.