[논문 리뷰] Parton distribution functions probed in ultraperipheral collisions at the CERN Large Hadron Collider

J. Thomas, C. A. Bertulani외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 07.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 초고에너지 Pb+Pb 충돌에서 벡터 메손 생성(J/ψ, ψ(2S), Υ)을 연구하여 소규모 x 및 중간 Q²에서의 부분자 분포 함수(PDFs)를 탐구한다. EPS09, CT14, nCTEQ15, nDS 등의 다양한 PDF 세트와 매질 보정을 포함한 이론적 모델을 사용하여, √sNN = 2.76 TeV 및 5 TeV에서의 속도 분포와 단면적을 예측하였으며, 글루온 샤도잉과 매질 수정에 매우 민감한 결과를 도출하였다. 다양한 PDF 세트 간에 단면적은 최대 10배까지 변동하였다.

ABSTRACT

Vector meson production in ultra-peripheral pA and AA collisions at the CERN Large Hadron Collider (LHC) are very sensitive to Parton Distribution Functions (PDF) as well as to their leading-order, next-to-leading-order, and medium corrections. This process is a complimentary tool to explore the effects of different PDFs in particle production in proton-nucleus and nucleus-nucleus central collisions. Existing and forthcoming data available, e.g., from ALICE and CMS, may be used in conjunction with our theoretical predictions to constrain the PDFs. We make predictions for rapidity distributions and for cross sections of J/$ψ$ , $ψ(2S)$ and $Υ$ production at $\sqrt{s_{NN}}=2.76$ TeV and $\sqrt{s_{NN}}=5$ TeV. We use the second energy as representative for the Run 2 of PbPb collisions at the LHC.

연구 동기 및 목표

• 작은 운동량 분율 x에서 다양한 부분자 분포 함수(PDFs)가 초고에너지 충돌에서의 벡터 메손 생성에 미치는 민감도를 테스트하기 위해.
• 매질 보정(예: 샤도잉 및 반샤도잉)이 광생성 단면적과 속도 분포에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• LHC 런 2의 대표적인 조건인 √sNN = 2.76 TeV 및 5 TeV에서 J/ψ, ψ(2S), Υ(1S) 생성에 대한 이론적 예측을 제공하기 위해.
• 특히 낮은 x에서 글루온 분포에 대한 PDF 불확실성을 제약하는 데서 UPC 데이터의 분별 능력을 평가하기 위해.
• 중앙 충돌 측정과의 상호보완성을 강조하여 QCD 역학과 핵 PDF를 탐구하는 데 기여하기 위해.

제안 방법

• 초고에너지 충돌에서의 배제적 광생성에 대해 주로 두 번째 순서 근사법을 적용하여, 한 핵에서 유도된 준진실 광자와 다른 핵의 부분자 간의 상호작용을 기반으로 한다.
• 색 상실 모델과 일반화된 부분자 분포 함수(GPD) 프레임워크를 사용하여 광자-글루온 융합 메커니즘으로서의 벡터 메손 생성을 기술한다.
• EPS09, CT14, nCTEQ15, nDS, CJ12 등의 다양한 PDF 세트를 사용하였으며, HKN07, nDS, EPS09 등의 매질 보정 여부를 고려하였다.
• 단면적과 속도 분포를 계산하기 위해 공식 dσ/dy ∝ ∫ dx G(x, Q²) × dσ_γg/dy 를 적용하였으며, Q²는 메손 질량에 따라 달라진다.
• 광생성 진폭에서 벡터 메손 파동함수 효과를 반영하기 위해 보정 인자 ζ_V 를 도입하였다.
• 다양한 PDF 세트 간의 결과를 비교하여 낮은 x에서 글루온 샤도잉과 매질 수정에 대한 민감도를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EPS09, CT14, nCTEQ15 등의 다양한 PDF 세트가 초고에너지 충돌에서 J/ψ, ψ(2S), Υ 생성의 예측 단면적과 속도 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 낮은 x에서 글루온 샤도잉 및 반샤도잉과 같은 매질 수정 효과가 예측에 얼마나 민감하게 작용하는가?
• RQ3 더 큰 질량과 축소된 위상공간을 고려할 때, Υ(1S)의 단면적과 속도 분포는 J/ψ 및 ψ(2S)와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 √sNN = 5 TeV(LHC 런 2)에서의 UPC 데이터는 서로 다른 샤도잉 행동을 보이는 경쟁 PDF 세트를 구분하는 데 도움이 될 수 있는가?
• RQ5 관측된 데이터와 모델 간의 격리 요인에 영향을 주는 최종 상태 상호작용과 해결된 광자 기여의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 매질 보정이 포함된 EPS09 PDF 세트가 ALICE 및 CMS의 기존 J/ψ 데이터와 가장 잘 일치하여 샤도잉 효과를 고려한 사용에 대한 지지를 받는다.
• Υ(1S) 생성의 총 단면적은 더 큰 메손 질량과 축소된 위상공간으로 인해 J/ψ에 비해 1000배 이상 감소한다.
• Υ(1S)의 속도 분포는 J/ψ보다 훨씬 좁으며, 이는 광생성에서 Q²에 대한 더 강한 의존성 때문임을 반영한다.
• √sNN = 5 TeV에서 다양한 PDF 세트 간에 단면적은 최대 10배까지 변동하였으며, 이는 글루온 PDF에 대한 강한 민감도를 시사한다.
• 중간 속도 영역에서는 샤도잉 효과가 지배적이지만, 전방/후방 속도 영역에서는 반샤도잉 효과가 거의 영향을 미치지 않는다.
• √sNN = 5 TeV에서 Υ(1S) 단면적의 이론적 예측 값은 CJ12 + HKN07 조합 기준 11 μb에서 CT14 + HKN07 조합 기준 189 μb까지 범위를 가지며, 이는 PDF 불확실성의 크기를 나타낸다.