[논문 리뷰] Hadronic Production of $chi_c$-mesons at LHC

A. K. Likhoded, A. V. Luchinsky외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 15인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 비상대론적 양자색역학(NRQCD) 프레임워크 내에서 다음 차수 보정(NLO) 양자색역학(QCD) 계산을 사용하여 LHC에서의 $\chi_{cJ}$ 케이온 상태의 강입자 생성을 조사한다. 색 단일 상태 기여가 $\chi_{c1}$ 및 $\chi_{c2}$ 생성에서 지배적이며, $P$-파 색 겹침 상태 기여는 유의미하게 기여하고 $S$-파 기여는 무시할 만큼 작음을 발견한다. $\chi_{c2}/\chi_{c1}$ 및 $\chi_{c0}/\chi_{c1}$ 비율은 이러한 기여를 분리하는 데 핵심적인 관측량이며, 이론적 예측은 LHCb 및 CDF 데이터와 잘 일치한다.

ABSTRACT

Hadronic production of $P$-wave charmonium states $χ_{cJ}$ in hadronic interaction is considered. Using experimental results of CDF and LHCb collaborations we show, that contributions of color-singlet components are dominant. As for color-octet mechanism, we show, that contributions from $P$-wave states can also be observed, while $S$-wave states can be neglected. The best experimental observables that give information about relative importance of color-singlet and color-octet components are the ratios $χ_{c2}/χ_{c1}$ and $χ_{c0}/χ_{c1}$.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 강입자 충돌기에서 $P$-파 케이온 상태 생성에 있어 색 단일 상태 및 색 겹침 상태 기여의 상대 기여도를 규명하는 것.
• 생산 횡운동량 분포 및 $\chi_{cJ}$ 상태의 생성 비율을 설명하는 데 있어 $P$-파 색 겹침 메커니즘의 타당성을 평가하는 것.
• LHCb 실험에서의 실행 가능성을 고려하여 $\chi_{c0}$ 생성 단면적 및 $p_T$-의존적 비율에 대한 이론적 예측을 제공하는 것.
• 현상론적 $|R'(0)|^2$ 값과 $\chi_{c2}$ 강입자 붕괴 너비에서 추출된 값 간의 괴리 문제를 매개변수 상관관계 분석을 통해 재정립하는 것.

제안 방법

• Landau-Yang 정리에 의해 $\chi_{c1}$ 생성이 금지되더라도 횡운동량가능성을 허용하는 $gg \to \chi_{cJ}g$ 반응의 다음 차수 보정(NLO) QCD 계산을 사용한다.
• 비상대론적 양자색역학(NRQCD) 인과성 프레임워크를 적용하여 물리적 $\chi_{cJ}$ 상태를 색 단일 상태 및 색 겹침 상태 포크 성분으로 분해한다: $|c\bar{c}[{}^3P_J^{[1]}]\rangle$, $|c\bar{c}[{}^3S_1^{[8]}]\rangle$, 및 $|c\bar{c}[{}^1P_1^{[8]}]\rangle$.
• 행렬 원소 $|R'(0)|^2$, $\langle \mathcal{O}_S \rangle$, 및 $\langle \mathcal{O}_P \rangle$에 의해 가중된 기여의 합으로 미분 단면적을 구성하며, 후자 두 항은 NRQCD 전개에서 쿼크 속도에 따라 상대적으로 억제된다.
• CDF 및 LHCb 실험 데이터의 $\chi_{cJ}$ 생성 단면적 및 $p_T$ 분포에 이론적 예측을 피팅하여 색 단일 상태(CS) 및 색 겹침 상태(CO) 기여의 상대 중요도를 추출한다.
• $\chi^2$ 기반 매개변수 스캔을 수행하여 $|R'(0)|^2$ 및 $\langle \mathcal{O}_P \rangle$의 허용 영역을 상관관계 및 불확도를 고려하여 결정한다.
• 미래 실험 비교를 위한 LHCb에서의 $\chi_{c0}$ 생성 단면적 및 $p_T$-의존적 비율 $\chi_{c0}/\chi_{c1}$ 및 $\chi_{c0}/\chi_{c2}$를 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 $\chi_{c1}$ 및 $\chi_{c2}$ 생성에 있어 색 단일 상태 대비 색 겹침 상태 기여의 상대 기여는 어떻게 되는가?
• RQ2 $\chi_{cJ}$ 생성에서 $P$-파 색 겹침 기여는 관측 가능할 수 있으며, $S$-파 기여와 비교해 보면 어떠한가?
• RQ3 특히 $\chi_{c2}/\chi_{c1}$ 및 $\chi_{c0}/\chi_{c1}$ 비율과 같은 실험 관측량 중에서 색 단일 상태 및 색 겹침 메커니즘을 가장 잘 구분할 수 있는 것은 무엇인가?
• RQ4 $\chi_{c2}$ 강입자 붕괴 너비에서 추출된 현상론적 추정치와 비교해 볼 때, 추출된 $|R'(0)|^2$ 및 $\langle \mathcal{O}_P \rangle$ 값은 어떻게 되는가?
• RQ5 LHCb에서의 $\chi_{c0}$ 생성 단면적 및 $p_T$-의존적 비율에 대한 이론적 예측은 무엇이며, 이를 어떻게 실험적으로 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 색 단일 상태 기여가 $\chi_{c1}$ 및 $\chi_{c2}$ 메손 생성에서 지배적이며, $\chi_{c2}/\chi_{c1}$ 비율은 이러한 성분 간의 상대 강도를 탐색하는 데 핵심적인 관측량이다.
• $P$-파 색 겹침 상태 기여는 유의미하게 기여하며 데이터를 설명하기 위해 필수적이며, $S$-파 색 겹침 상태 기여는 안전하게 무시할 수 있다.
• LHCb 협동 연구의 실험 데이터와 잘 일치하는 $\chi_{c1}$ 및 $\chi_{c2}$ 생성 단면적 및 $p_T$ 분포에 대한 이론적 예측이 성립한다.
• $\chi_{c0}/\chi_{c1}$ 및 $\chi_{c0}/\chi_{c2}$ 비율은 LHCb에서 측정 가능하며, $P$-파 색 겹침 상태 성분을 민감하게 탐지하는 데 유용한 수단이 된다.
• 피팅을 통해 추출된 $|R'(0)|^2$ 값은 $\chi_{c2}$ 강입자 붕괴 너비에서 유도된 약 $0.08\,\text{GeV}^5$의 현상론적 추정치를 초과하며, 고에너지 영역에서 파동함수 매개변수 재평가가 필요함을 시사한다.
• 매개변수 상관관계 분석 결과, 고에너지 효과로 인해 $|R'(0)|^2$ 가 증가하면 $\langle \mathcal{O}_P \rangle$ 가 상응하여 감소함을 확인하여, 이 두 행렬 원소 간의 상충 관계가 있음을 나타낸다.