[논문 리뷰] Heavy Quarkonium Production at Threshold: from JLab to EIC

S. Joosten, Z.-E. Meziani|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 24인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 제프리슨 랩 12 GeV와 향후 전자-이온 충돌기(EIC)에서 $J/\psi$ 및 $\Upsilon$ 쿼크온의 탄성 전기 및 광생성 현상을 통해 양성자 질량과 스핀의 기원을 탐구하고, hadron 간의 색 빈델발스 힘을 측정하며, LHCb 펜타쿼크의 성질을 조사하기 위한 방법을 제안한다. 임계값과 고질량 운동량 영역을 조합함으로써, 일반화된 부분입자 분포(GPDs)를 통해 양성자 질량 분해에서 쿼크와 글루온 기여를 실험적으로 접근할 수 있으며, 이는 새로운 몬테카를로 생성기인 LIGEN을 사용해 검증된 예측을 포함한다.

ABSTRACT

In this contribution we present opportunities to address questions about the origin of mass and spin, probe the existence and nature of the LHCb pentaquark state, and probe the color Van der Waal forces among two color neutral hadrons. The key reaction is elastic production of heavy quarkonia (J/psi and Upsilon) on the nucleon from threshold to large nucleon-quarkonium invariant masses. This is possible when combining the energy range of two high luminosity facilities, Jefferson Lab 12 GeV and an electron ion collider (EIC).

연구 동기 및 목표

• 임계값과 고상관질량에서의 탄성 $J/\psi$ 및 $\Upsilon$ 생성 측정을 통해 양성자 질량과 스핀 기원을 실험적으로 탐구한다.
• EIC에서 일반화된 부분입자 분포(GPDs)를 통해 양성자 스핀과 질량에 대한 글루온 기여를 접근한다.
• 글루온 밀도의 횡방향 공간 프로파일과 양성자의 글루온 반경을 규명한다.
• 독립적인 $J/\psi$ 생성을 통한 $\gamma p \to P_c \to J/\psi p$ 과정을 통해 LHCb 펜타쿼크 상태의 존재성과 성질을 검증한다.
• $t$-채널에서의 $J/\psi$ 및 $\Upsilon$ 생성을 통해 두 개의 색 싱เก트렛 하드론 간의 색 빈델발스 힘을 측정한다.

제안 방법

• 고정표적 및 충돌기 운동역학을 위한 $l$-A 반응을 시뮬레이션하기 위해 새로운 몬테카를로 이벤트 생성기인 LIGEN을 사용한다.
• 두 글루온 교환를 통한 $J/\psi$ 및 $\Upsilon$ 생성의 $t$-채널 단면적을 모델링하며, 세계적 데이터 기반의 광생성에 적합하게 피팅한다.
• 반응 입자들의 각도 분포를 기술하기 위해 s-채널 스핀 보존(SCHC) 프레임워크를 적용한다. 이는 $J/\psi \to e^+e^-$ 및 $\Upsilon \to e^+e^-$, $\mu^+\mu^-$ 붕괴에서의 붕괴 레이턴트의 각도 분포를 기술한다.
• 전기생성 단면적의 $Q^2$-의존성을 $D = \left(\frac{M_V^2}{M_V^2 + Q^2}\right)^{n_2}$ 형태의 디폴 형태 인자로 매개변수화한다.
• 참고문헌 [44]의 형식을 사용해 정확한 가상 광자의 유량과 극화를 적용하며, $R = \sigma_L / \sigma_T$는 거듭제곱 법칙 형태로 모델링한다.
• LHAPDF를 사용해 GPD를 CT14 글루온 PDF에 정규화함으로써, 격자 QCD 계산 및 실험 데이터와의 정량적 비교를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 쿼크 질량에 비해 글루온 에너지와 추적 이상성에 기인한 양성자 질량의 비율은 얼마인가?
• RQ2 쿼크의 궤도 운동량과 글루온의 총 운동량이 양성자 스핀에 기여하는 정도는 어떻게 되는가?
• RQ3 양성자 내 글루온 분포의 공간 확장은 어떻게 되며, 글루온 반경과 어떤 관련이 있는가?
• RQ4 LHCb 펜타쿼크 상태는 임계값에서 독립적인 $\gamma p \to P_c \to J/\psi p$ 생성 과정에서 나타나는가?
• RQ5 $t$-채널에서의 $J/\psi$ 및 $\Upsilon$ 교환를 통해 측정된 두 개의 색 싱게트렛 하드론 간의 색 빈델발스 힘의 강도와 범위는 얼마인가?

주요 결과

• $J/\psi$ 및 $\Upsilon$ 생성의 $t$-채널 단면적은 기존 광생성 데이터에 피팅된 이중 글루온 교환 모델에 의해 잘 기술된다.
• LIGEN 생성기는 광범위한 운동역학 영역에서 실제적인 $J/\psi$ 및 $\Upsilon$ 전기 및 광생성 비율을 성공적으로 시뮬레이션한다.
• $J/\psi \to e^+e^-$ 붕괴 제품의 각도 분포는 s-채널 스핀 보존 예측과 일치하며, 실제 광생성에서는 $\mathcal{W}(\cos\theta_{\text{CM}}) = \frac{3}{8}(1 + \cos^2\theta_{\text{CM}})$를 따른다.
• 전기생성 단면적의 $Q^2$-의존성은 최적화된 디폴 형태 인자 $D = \left(\frac{M_V^2}{M_V^2 + Q^2}\right)^{n_2}$를 사용해 모델링되었으며, 이는 독립적인 $\rho$ 생성에 최적화된 것으로부터 유도되어 $J/\psi$ 및 $\Upsilon$에 적응시켰다.
• GPD는 CT14 글루온 PDF에 정규화되어 있어, 격자 QCD 계산과의 직접 비교가 가능하며 글루온 반경과 스핀 기여를 추출할 수 있다.
• 이 연구는 EIC에서 $\Upsilon$ 생성을 통해 글루온 반경과 글루온의 총 운동량을 측정할 수 있는 길을 제공하며, $x$-의존적 횡방향 프로파일에 대한 민감도를 갖는다.