[논문 리뷰] Hadronic production of baryons, containing two heavy quarks

A. V. Berezhnoy, V. V. Kiselev외 1명|ArXiv.org|1995. 07. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 36개의 4차 수준 피카르도 다이어그램을 모두 사용하여 이중으로 무거운 바리온(\text{bcq} 및 \text{ccq})의 수형생산 단면적에 대한 정확한 1차 QCD 양자장론 계산을 제시한다. 이는 널리 사용되는 무거운 쿼크 분열 모델이 특히 고가로 운동량에서 단면적을 3–9배 정도 과소평가하고 있음을 보여주며, 분열 기반 추정치와 비교해 상대적 생산율에 상당한 격차가 있음을 드러낸다.

ABSTRACT

In the framework of QCD perturbation theory, total and differential cross sections of the $Ξ_{bc}'$, $Ξ_{bc}^{(*)}$ and $Ξ_{cc}^{(*)}$ baryons production in gluon collisions are calculated in the leading order over $α_s$ for the doubly heavy ($b c$) and ($ c c$) diquarks. At both small and large transverse momenta of the baryons, a use of the mechanism of the heavy quark fragmentation into the heavy diquark is shown to underestimate the cross section values in comparison with the exact numerical calculations of complete set of diagrams. The expected in Tevatron experiments yield of baryons with two heavy quarks is evaluated as $(1.3\pm 0.3) \cdot 10^5 \,\, bcq$-baryons and $(1.6\pm 0.3) \cdot 10^4 \,\, ccq$-baryons at $p_T>5$ GeV and $|y|<1$ of the baryon momentum and rapidity cuts, with account for the antiparticle yields.

연구 동기 및 목표

• 이중으로 무거운 바리온(\text{bcq} 및 \text{ccq})의 글루온 융합를 통한 수형생산에 대한 정확한 1차 QCD 계산을 제공하는 것.
• 두 개의 무거운 쿼크를 가진 바리온의 단면적을 예측하는 데 있어 무거운 쿼크 분열 메커니즘의 타당성을 평가하는 것.
• 전체 및 미분 단면적에서 분열 기반 추정치와 완전한 양자장론적 QCD 계산 간의 격차를 정량화하는 것.
• 실제 운동학적 절단 조건(\text{p}_\text{T} > 5\,\text{GeV}, \, |y| < 1) 하에서 테바트론에서 \text{bcq} 및 \text{ccq} 바리온의 기대 수율을 평가하는 것.

제안 방법

• 글루온 유도 생산에 의한 4쿼크 상태 생성 및 그 후 이쿼크 형성에 대한 모든 36개의 1차 수준 피카르도 다이어그램의 정확한 계산.
• 이쿼크 결합 상태 내의 비틀림 없는 무거운 쿼크를 모의하기 위해 쿼크 운동량 분율 \text{p}_1 = (m_1/M)P 및 \text{p}_2 = (m_2/M)P 를 사용.
• 이쿼크 파동함수의 원점에서의 값 \text{R}(0) 과 색 구조 \varepsilon_{ijk}/\sqrt{2} 를 사용해 이쿼크 정점의 기술.
• 스칼라(\text{J}=1/2) 및 벡터(\text{J}=1/2, 3/2) 이쿼크 상태를 정의하기 위해 프로젝션 연산자를 적용.
• 자유 쿼크 단면적 \text{A}' 와 이쿼크 프로젝션 및 파동함수의 콘볼루션을 통한 진폭 \text{A} 유도.
• 분열 기반 예측과 정확한 양자장론 결과를 비교하기 위해 공식 \text{d}\sigma/\text{dz} = \sigma(\text{gg} \to \bar{\text{b}}\text{b}) \times \text{D}(\text{b} \to \text{bcq})(\text{z}) 를 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 글루온 충돌에서 바리온 생산에 대한 정확한 QCD 양자장론 계산은 분열 기반 근사와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 분열 메커니즘이 \text{bcq} 및 \text{ccq} 바리온의 총 및 미분 단면적을 어느 정도 과소평가하는가?
• RQ3 실제 운동학적 절단 조건(\text{p}_\text{T} > 5\,\text{GeV}, \, |y| < 1) 하에서 테바트론에서 \text{bcq} 및 \text{ccq} 바리온의 예상 수율은 얼마인가?
• RQ4 정확한 계산과 분열 기반 계산 간에 \Xi_{\text{bc}}', \Xi_{\text{bc}}, 및 \Xi_{\text{bc}}^{*} 바리온의 상대적 생산률은 어떻게 다를까?
• RQ5 분열 메커니즘이 전자-양전자 결합에서 성공을 거둔 것과는 달리, 왜 수형생산에서는 유효하지 않은가?

주요 결과

• \sqrt{\hat{s}} = 100\,\text{GeV} 에서 \Xi_{\text{bc}}^{*} 와 \Xi_{\text{bc}}' 바리온의 총 단면적은 각각 9배와 4배 과소평가된다.
• \sqrt{\hat{s}} = 100\,\text{GeV} 에서 정확한 계산은 \sigma(\Xi_{\text{bc}}^{*}\,\text{복잡한}) / \sigma(\Xi_{\text{bc}}') \approx 3.2 를 산출하지만, 분열 모델은 단지 \approx 1.4 뿐이다.
• 고가로 운동량(\text{p}_\text{T} > 40\,\text{GeV}) 에서조차도 \Xi_{\text{cc}}^{*} 생산의 정확한 단면적은 분열 예측보다 약 30% 높으며, \text{p}_\text{T} > 5\,\text{GeV} 에서는 3배의 격차가 존재한다.
• 100–150\,\text{pb}^{-1} 루미노시티 조건 하에서 테바트론에서 \text{bcq} 바리온의 기대 수율은 (1.3 \pm 0.3) \times 10^5 이며, \text{ccq} 바리온은 (1.6 \pm 0.3) \times 10^4 이다. 이는 반입자 기여를 포함한다.
• bcq 및 ccq 바리온의 미분 단면적 \text{d}\sigma/\text{dp}_\text{T} 는 큰 \text{p}_\text{T} 에서조차도 분열 예측과 상당한 이격을 보이며, 이는 메커니즘이 수형생산에서 본질적으로 적용 불가능함을 시사한다.
• 1S-파면 바리온의 총 단면적은 \sigma \approx 1\,\text{nb} (\text{bcq}) 및 \sigma \approx 0.13\,\text{nb} (\text{ccq}) 이며, 정확한 결과는 분열 모델이 반영하지 못한 강한 에너지 및 운동량 의존성을 보인다.