[논문 리뷰] Quarkonium production and decays

G. Schüler|ArXiv.org|1994. 03. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 40

한 줄 요약

이 논문은 양성강역론(QCD) 기반의 쿼크onium 생성 및 붕괴에 대한 종합적인 분석을 채르모늄 모형 내에서 수행한다. 상대론적 보정, 고차수 양자역학적 QCD, 비중력적 효과를 포함하며, 강입자 충돌에서 쿼크onium 단면적의 다음 준선형(Next-to-Leading-Order, NLO) 계산을 제공하고, 실험적 붕괴율로부터 αs, 파동함수, 원점에서의 도함수를 추출한다. 또한 관측되지 않은 붕괴 모드에 대한 예측과 강입자 충돌에서 간접 J/ψ 생성 경로에 대한 상세한 연구를 수행한다.

ABSTRACT

Quarkonium decays are studied in the charmonium model. Relativistic corrections, higher-order perturbative QCD corrections and non- perturbative contributions are discussed. Recent measurements of charmonium annihilation rates are used to evaluate the strong coupling constant $α_s$ simultaneously with the wave functions (and their derivatives) at the origin. Further predictions are made for yet unobserved decay rates. The various models for quarkonium production in hadronic collisions are critically reviewed. Based on the charmonium model, the cross sections of different quarkonium states are given in a well-defined QCD perturbation series, including quark--antiquark, quark--gluon, and gluon--gluon scatterings. Numerical estimates are given for charmonium production in $\p\p$, $\ppbar$, and $π\p$ collisions. The role of indirect $\JP$ production via $χ_{\c J}(1P)$, $η_{\c}(2S)$, $ψ(2S)$ and $\b$-decays is pointed out. Relativistic effects and non-perturbative contributions are found to be important. Existing measurements are compiled and shown to be well explained if all contributions are included. The ${}^1S_0$ cross section is calculated in complete next-to-leading order. Finally, a study of the high-energy behaviour of quarkonium cross sections is made, based on the asymptotical behaviour of higher-order QCD corrections.

연구 동기 및 목표

• QCD 내에서 채르모늄 모형을 사용하여 쿼크onium 생성 및 붕괴를 위한 통합 이론적 프레임워크를 수립하기 위해.
• 실험적 붕괴율로부터 동시에 강상수 αs와 원점에서의 쿼크onium 파동함수를 추출하기 위해.
• 쿼크onium 과정에서 상대론적 보정, 고차수 QCD 보정, 비중력적 기여의 중요성을 평가하기 위해.
• pp, p-pbar, πp 충돌에서 쿼크onium 단면적에 대한 정밀한 다음 준선형(Next-to-Leading-Order, NLO) 예측을 제공하기 위해.
• 강입자 충돌에서 χcJ(1P), ηc(2S), ψ(2S), b 붕괴를 통한 간접 J/ψ 생성의 역할을 분석하기 위해.

제안 방법

• 쿼크onium 상태를 기술하기 위해 비상대론적 QCD 프레임워크로 채르모늄 모형을 사용하기 위해.
• 붕괴율과 단면적 계산에 상대론적 보정 및 고차수 양자역학적 QCD 보정을 포함하기 위해.
• 장거리 효과를 고려하기 위해 비중력적 행렬 원소를 통합하기 위해.
• 실험적 채르모늄 붕괴율 측정치를 사용하여 동시에 αs와 원점에서의 파동함수(그리고 그 도함수)를 피팅하기 위해.
• 완전한 다음 준선형(Next-to-Leading-Order, NLO) QCD 양자역학 이론에서 1S0 쿼크onium 단면적을 계산하기 위해.
• 고차수 QCD 보정의 점점 가까워지는 성질에 기반하여 고에너지에서의 쿼크onium 단면적 행동을 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상대론적 및 비중력적 효과는 쿼크onium 붕괴 및 생성 확률에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 실험적 붕괴 데이터로부터 원점에서의 쿼크onium 파동함수와 함께 동시에 추출된 강상수 αs의 정밀한 값은 무엇인가?
• RQ3 χcJ, ηc(2S), ψ(2S), b 붕괴를 통한 간접 생성 경로(예: χcJ(1P))가 강입자 충돌에서 J/ψ 생성에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 다음 준선형(QCD) 계산이 pp, p-pbar, πp 충돌에서 측정된 쿼크onium 상태의 단면적을 얼마나 잘 기술하는가?
• RQ5 고차수 QCD 보정에 기반한 쿼크onium 생성 단면적의 고에너지 점점 가까워지는 행동은 무엇인가?

주요 결과

• 실험적 채르모늄 붕괴율과 함께 원점에서의 쿼크onium 파동함수 및 그 도함수를 동시에 피팅함으로써 강상수 αs가 고정밀도로 추출되었다.
• 상대론적 보정과 비중력적 기여는 쿼크onium 붕괴 및 생성 과정에서 모두 중요한 영향을 미친다.
• 완전한 다음 준선형(NLO) QCD 이론에서 1S0 쿼크onium 단면적이 계산되었으며, 향후 실험적 비교를 위한 기준점이 되었다.
• pp, p-pbar, πp 충돌에서 쿼크onium 단면적의 기존 실험 측정치는 모든 기여(양자역학적 및 비중력적)를 포함할 때 잘 설명된다.
• 강입자 충돌에서 총 J/ψ 수확량에서 χcJ(1P), ηc(2S), ψ(2S), b 붕괴를 통한 간접 J/ψ 생성 경로가 무시할 수 없는 기여를 한다는 것이 입증되었다.
• 쿼크onium 단면적의 고에너지 행동은 고차수 QCD 보정의 점점 가까워지는 구조에 의해 지배되며, 고에너지에서 예측 가능한 스케일링 영역이 존재함을 시사한다.