[논문 리뷰] Quarkonium at the Frontiers of High Energy Physics: A Snowmass White Paper

Geoffrey T. Bodwin, Eric Braaten외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 44

한 줄 요약

이 스노마스 화이트페이퍼는 쿼크onium 물리학의 두 주요 분야를 요약한다: 개방-중량-플라바어를 초과하는 채론늄 및 바텀늄 상태의 스펙트로스코피, 그리고 고가로 전단 운동량에서의 쿼크onium 생성. $e^+e^-$ 충돌기와 LHC에서의 실험과 함께 비상대론적 양자 chromodynamics(NRQCD) 및 효과적 장 이론의 발전이, 쿼크onium 스펙트로스코피의 오랜 수수께끼를 해결하고, 특히 고 $p_T$에서의 배타적 및 비배타적 생성을 통해 쿼크onium 생성 메커니즘의 정밀한 시험을 가능하게 할 것이다. 주요 기여는 이질적인 쿼크onium 상태의 성격을 규명하고 고에너지 충돌에서 쿼크onium 생성을 위한 이론적 프레임워크를 정교화하는 루트맵을 제공하는 것이다.

ABSTRACT

In this Snowmass White Paper, we discuss physics opportunities involving heavy quarkonia at the intensity and energy frontiers of high energy physics. We focus primarily on two specific aspects of quarkonium physics for which significant advances can be expected from experiments at both frontiers. The first aspect is the spectroscopy of charmonium and bottomonium states above the open-heavy-flavor thresholds. Experiments at e^+ e^- colliders and at hadron colliders have discovered many new, unexpected quarkonium states in the last 10 years. Many of these states are surprisingly narrow, and some have electric charge. The observations of these charged quarkonium states are the first definitive discoveries of manifestly exotic hadrons. These results challenge our understanding of the QCD spectrum. The second aspect is the production of heavy quarkonium states with large transverse momentum. Experiments at the LHC are measuring quarkonium production with high statistics at unprecedented values of p_T. Recent theoretical developments may provide a rigorous theoretical framework for inclusive production of quarkonia at large p_T. Experiments at the energy frontier will provide definitive tests of this framework. Experiments at the intensity frontier also provide an opportunity to understand the exclusive production of quarkonium states.

연구 동기 및 목표

• 강도 및 에너지의 전면에서 쿼크onium 물리학에서 가장 유망한 연구 방향을 식별하고 우선순위를 정하는 것.
• 개방-중량-플라바어 임계값을 초과하는 쿼크onium 상태의 QCD 스펙트럼을 이해하는 데 있어 이론적 및 실험적 과제를 다루는 것.
• 큰 횡방향 운동량에서의 포함 및 배타적 쿼크onium 생성을 위한 엄밀한 이론적 프레임워크를 개발하고 시험하는 것.
• 미래의 충돌기 실험을 통해 NRQCD 인과성과 쿼크onium 생성에서 스핀 구조를 정밀하게 시험하는 것.
• 남아 있는 문제들을 해결하기 위해 향후 실험 프로그램, 즉 벨레 II, 업그레이드된 LHC, 그리고 제안된 $e^+e^-$ 및 $ep$ 충돌기를 이끌어내는 것.

제안 방법

• 고에너지 충돌에서의 쿼크onium 생성을 기술하기 위해 비상대론적 양자 색역학(NRQCD) 인과성을 활용하여 양자역학적 및 비양자역학적 기여를 분리하는 것.
• 비상대론적 영역에서의 쿼크onium 스펙트로스코피와 붕괴 성질을 분석하기 위해 잠재력 기반 비상대론적 양자 색역학(pNRQCD)과 같은 효과적 장 이론을 적용하는 것.
• $e^+e^-$ 충돌기를 이용해 배타적 이중-쿼크onium 생성을 연구하고, 스핀 의존성 진폭을 측정하여 NRQCD 예측을 시험하는 것.
• LHC의 고광도 및 고에너지 업그레이드를 활용하여 큰 $p_T$에서의 쿼크onium 생성을 측정하고, 다음 주요 순서(NLO) 및 고차수 QCD 보정을 시험하는 것.
• 미래의 $ep$ 및 $e^+e^-$ 충돌기를 제안하여 고-$p_T$ 하드론 생성 데이터로부터 발생하는 색-팔행 행렬 요소의 모호성을 해결하고, 고정밀 측정을 통해 스핀 예측을 시험하는 것.
• 스핀 억제 채널, 예를 들어 $J/\psi + \eta_c$ 및 $J/\psi + \chi_{cJ}$에서 큰 로그를 제어하기 위해 재정렬 기법을 구현하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최근 발견된 날카롭고 양성인 쿼크onium 상태들(예: $X(3872)$ 및 $Y(4260)$)은 개방-구리 및 개방-바텀 임계값을 초과하는 상태로서, 기존 쿼크 모델에 도전하는가?
• RQ2 큰 횡방향 운동량에서의 포함 쿼크onium 생성을 정확히 기술하기 위해 NRQCD 이론 프레임워크를 어떻게 정교화할 수 있는가?
• RQ3 벨레-II 및 향후 충돌기에서의 배타적 쿼크onium 생성 확률와 스핀 분포는 NRQCD 인과성의 타당성과 행렬 요소 결정의 정확성을 얼마나 정밀하게 시험할 수 있는가?
• RQ4 미래의 $ep$ 및 $e^+e^-$ 충돌기는 고-$p_T$ 하드론 생성 데이터로부터 발생하는 현재의 색-팔행 행렬 요소의 모호성을 어떻게 해결할 수 있는가?
• RQ5 스핀 억제 쿼크onium 생성 채널에서 큰 로그를 재정렬하면 제어 가능하고 예측 가능한 이론적 프레임워크로 이어질 수 있는가?

주요 결과

• $e^+e^-$ 충돌기와 하드론 충돌기에서의 실험은 $X(3872)$ 및 $Y(4260)$와 같은 수많은 날카롭고 양성인 쿼크onium 상태를 발견하였으며, 이는 명백한 이질성의 첫 번째 확실한 예시이다.
• NRQCD 및 효과적 장 이론의 이론적 발전은 이제 큰 $p_T$에서의 포함 쿼크onium 생성을 엄밀하게 기술하는 프레임워크를 제공하며, LHC에서의 측정을 통해 검증 가능하다.
• 벨레-II에서의 이중-초구리온 상태의 배타적 생성은 스핀 구조를 유일하게 조사할 수 있으며, 스핀 억제 채널에서 큰 로그의 재정렬을 시험할 수 있다.
• 중심 질량 에너지가 12.5 GeV를 초과하면 벨레-II에서 $B_c$ 공명 스펙트럼을 접근할 수 있으며, 이는 $B_c$ 붕괴와 자극 상태 연구를 가능하게 한다.
• 미래의 $ep$ 충돌기에서 $p_T > 10$ GeV에서의 쿼크onium 극화 정밀 측정은 현재의 색-팔행 행렬 요소에 대한 모호성을 해결할 수 있다.
• 레프를 초월하는 더 높은 $p_T$에서의 포함 $J/\psi$ 생성 측정은 NRQCD 행렬 요소의 글로벌 피팅과 레프 데이터 사이의 갈등을 해결할 수 있다.