[논문 리뷰] Ultra-peripheral nuclear collisions as a source of heavy quarkonia

B. Z. Kopeliovich, M. Krelina외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 12.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 초당성핵 충돌(UPC)에서의 중량 쿼크onium 생성을 위한 정밀화된 QCD 도플 모델을 제시한다. 이 모델은 슈뢰딩거 방정식과 라우어스트 변환을 통해 현실적인 쿼크onium 파동함수를 포함하고, 유한한 공명 길이 효과와 글루온 샤로잉 효과를 그린 함수 형식론을 통해 고려한다. 이는 LHC에서의 응집적 $J/\!\psi$ 및 $\Upsilon$ 생성 데이터와 양호한 일치를 보이며, 향후 전자-이온 충돌기 실험에 대한 향상된 예측을 제공한다.

ABSTRACT

Heavy quarkonium production in ultra-peripheral nuclear collisions (UPC) is described within the QCD dipole formalism. Realistic quarkonium wave functions in the $Q\bar Q$ rest frame are calculated by solving the Schrödinger equation with a subsequent Lorentz boost to high energy. We rely on several realistic $Q\bar Q$ potentials, which allow to describe well the quarkonium masses and decay widths, as well as data on diffractive electroproduction of quarkonia on protons. Nuclear effects are calculated with the phenomenological dipole cross sections fitted to DIS data. The higher twist quark shadowing related to the lowest $Q\bar Q$ Fock component of the photon, as well as the leading twist gluon shadowing, related to higher components containing gluons, are included. The results for coherent and incoherent photoproduction of charmonia and bottomonia in UPC of heavy nuclei are in good accord with available data from the LHC. They can also be verified in future experiments at electron-ion colliders.

연구 동기 및 목표

• 실제 쿼크onium 파동함수를 포함시켜 초당성핵 충돌(UPC)에서의 중량 쿼크onium 광생성 이론적 기술을 향상시키기 위해.
• 특히 전방/후방 빠르기 영역에서, 이코날 근사 이외의 유한한 공명 길이 효과를 고려하기 위해.
• 그린 함수 형식론을 사용하여 광자의 고차 Fock 상태($|Q\bar{Q}G\rangle$)에서 기인하는 글루온 샤로잉 효과를 포함하기 위해.
• 초구면 및 하이퍼바운드 쿼크onium 생성에서 파동함수 모델과 도플 단면적의 이론적 불확실성 정도를 정량화하기 위해.
• 향후 전자-이온 충돌기에서 검증 가능한, RHIC 및 LHC에서의 응집적 및 비응집적 쿼크onium 생성의 예측 단면적을 제공하기 위해.

제안 방법

• 쿼크onium 파동함수를 $Q\bar{Q}$ 정지 프레임에서 구하기 위해 실제 $Q\bar{Q}$ 잠재력과 함께 슈뢰딩거 방정식을 푸는 것.
• 파동함수의 라이트프론트 프레임으로의 보존 정확도를 유지하기 위해 테렌티프 체계를 적용하는 것.
• 스핀 인자 분리가 가능해지도록 스핀어린이를 정지 프레임에서 라이트프론트 프레임으로 변환하기 위해 멜로시 스핀 전환을 사용하는 것.
• 특히 $l_c \ll R_A$ 조건에서, 유한한 공명 길이 효과를 엄밀하게 다루기 위해 경로 적분 기법과 그린 함수 형식론을 활용하는 것.
• 고차 투습 쿼크 샤로잉($|Q\bar{Q}\rangle$ Fock 상태에서 기인)과 주요 투습 글루온 샤로잉($|Q\bar{Q}G\rangle$ 성분에서 기인)을 포함하는 것.
• 이론적 예측의 불확실성을 추정하기 위해 다양한 현상학적 도플 단면적(KST, GBW, BGBK)을 시험하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 공명 길이 효과는 전방 및 후방 빠르기 영역에서 UPC에서의 쿼크onium 빠르기 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 광자의 고차 Fock 상태에서 기인하는 글루온 샤로잉 효과는 쿼크onium 생성 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 $Q\bar{Q}$ 잠재력과 도플 단면적은 UPC에서의 $J/\!\psi$ 및 $\Upsilon$ 생성에 대한 이론적 예측에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 유한한 공명 길이 보정은 핵 매질에서 표준 이코날 근사가 얼마나 잘못된지를 어떻게 평가하는가?
• RQ5 이 모델은 LHC에서의 응집적 $J/\!\psi$ 및 $\Upsilon$ 광생성 데이터를 더 정확하게 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 중간 빠르기 영역에서 UPC에서의 응집적 $J/\!\psi(1S)$ 및 $\psi^\prime(2S)$ 광생성에 대해 LHC 데이터와 양호한 일치를 보였다.
• 유한한 공명 길이 보정은 $l_c \ll R_A$ 조건에서 특히 전방/후방 빠르기 영역에서 빠르기 분포를 크게 변화시키며, 이는 이코날 근사를 무효화한다.
• $|Q\bar{Q}G\rangle$ Fock 상태에서 기인하는 글루온 샤로잉 효과가 핵 억제를 주도하며, 전파 중 크기 변동이 발생하므로 그린 함수 형식론이 필요하다.
• 초구면 생성의 이론적 불확실성은 주로 파동함수 선택에 의해 결정되며, 하이퍼바운드 생성에서는 주로 도플 단면적 매개변수화에 의해 결정된다.
• 고속 빠르기 영역에서 이코날 기반 계산과의 측정 가능한 차이를 예측하며, 향후 전자-이온 충돌기 실험에서 검증 가능한 서명을 제공한다.
• 실제 파동함수와 스핀 전환을 포함함으로써, $D$-파동 성분을 과도하게 평가하는 모델보다 예측 단면적 정확도가 향상된다.