[논문 리뷰] Valence Quark and Gluon Distributions of Kaon from J/Psi Production

J. C. Peng, W. C. Chang외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 케론 빔에서의 기존 NA3 $J/\psi$ 생성 데이터가 $K^{-}$ 내의 열성 $ar{u}$ 쿼크 분포가 $\pi^{-}$보다 더 연약하다는 독립적인 실험적 증거를 제공하며, 이는 이전의 Drell-Yan 데이터와 일치한다. 또한 $K^{+}/\pi^{+}$ $J/\psi$ 비율은 케론에 더 높은 글루온 함량이 있음을 시사하며, 강한 상호작용 과정을 통해 케론의 파르톤 분포를 탐색할 수 있는 새로운 길을 제시한다.

ABSTRACT

The only experimental information on the parton distribution of kaons was obtained from the scarce kaon-induced Drell-Yan cross section data. From these data, evidence for a valence $u$ quark distribution of kaon softer than that of pion was found. We study the feasibility to extract kaon's valence quark distribution via the existing kaon-induced J/psi production data. We compare the NA3 data on the K- / pi- and K+ / pi+ ratios for J/psi production on a platinum target with theoretical calculations based on the color-evaporation model. We show that the NA3 data on J/psi production provide an independent evidence for a valence $u$ quark distribution softer in kaon than in pion. The data also suggest different gluon distributions for kaon and pion.

연구 동기 및 목표

• 이 논문은 Drell-Yan 과정의 대안으로 $J/\psi$ 생성 데이터에서 케론의 열성 쿼크 및 글루온 분포를 추출할 수 있는 가능성 평가.
• 핵(target)에서의 $J/\psi$ 생성이 케론 내에서 맛에 의존하는 열성 쿼크 분포에 대해 독립적인 증거를 제공하는지 테스트.
• $K^{+}/\pi^{+}$ $J/\psi$ 비율이 케론 내 글루온 및 해양 쿼크 분포에 얼마나 민감한지 조사.
• $J/\psi$ 생성이 경량 메손의 파르톤 구조를 탐색하는 데 Drell-Yan과 보완적인 도구로 활용될 잠재력을 평가.

제안 방법

• 연구는 NA3 실험 데이터에서의 $K^{-}/\pi^{-}$ 및 $K^{+}/\pi^{+}$ $J/\psi$ 생성 비율을 색의 증발 모델을 사용한 이론 계산과 비교한다.
• 이론적 예측은 메손과 납입자에 대한 표준 모형(SMRS) 및 CTEQ5L 파르톤 분포 함수(PDF)를 사용한 최초순서(LO) 및 다음최초순서(NLO) 단계의 단면적 표현에 기반한다.
• 연약한 열성 $ar{u}$ 분포를 모의하기 위해 수정된 매개변수화 $\bar{u}^{V}_{K}(x) = N_{u} \bar{u}^{V}_{\pi}(x)(1-x)^{a}$ 를 사용하였으며, $a = 0.203$ 으로 설정하였고, 열성 쿼크 합 규칙을 유지하였다.
• $K^{+}$ 에 대해서는 글루온 및 해양 쿼크 분포에 대한 수정을 탐색하였으며, 글루온 기여율을 40%에서 45%로 증가시키고 해양 쿼크 기여율을 15%에서 10%로 감소시켰으며, 함수 형태는 유지하였다.
• $K^{+}/\pi^{+}$ 비율을 분석하여 글루온 분포의 차이에 대한 민감도를 평가하였으며, $q\bar{q}$ 상호작용 소멸이 억제되고 $gg$ 융합이 지배적이므로 이 비율이 글루온 분포에 민감하다고 가정하였다.
• NLO 보정을 위해 DYNNLO 코드를 사용하였고, 비율 $R$ 에 대한 고차항 효과가 미미하여 LO 계산으로도 충분함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이론적으로 $J/\psi$ 생성 데이터는 $K^{-}$ 내 열성 $ar{u}$ 쿼크 분포가 $\pi^{-}$ 보다 더 연약하다는 독립적인 증거를 제공할 수 있는가?
• RQ2 $K^{+}/\pi^{+}$ $J/\psi$ 생성 비율은 케론 내 글루온 분포에 민감한가?
• RQ3 $J/\psi$ 생성 데이터는 케론 내 글루온 및 해양 쿼크 분포에 얼마나 강력한 제약을 가하는가?
• RQ4 $K^{+}+\text{Pt}$ 와 $K^{-}+\text{Pt}$ 에서의 $J/\psi$ 생성 메커니즘은 주로 어떤 파르톤 하위과정에 의해 지배되는가?
• RQ5 $K^{+}/\pi^{+}$ 비율을 사용하여 메손 내 글루온 분포의 맛 의존성에 대한 정보를 추출할 수 있는가?

주요 결과

• NA3 $K^{-}/\pi^{-}$ $J/\psi$ 비율 데이터는 큰 $x_{1}$ 에서 명확한 감소를 보이며, 이는 $K^{-}$ 내 열성 $ar{u}$ 쿼크 분포가 $\pi^{-}$ 보다 더 연약하다는 것을 시사하며, $(1-x)^{0.203}$ 억제 인자와 일치한다.
• $K^{-}/\pi^{-}$ 데이터는 $K^{-}$ 와 $\pi^{-}$ 가 동일한 열성 쿼크 분포를 공유한다는 가정과 불일치하며, 수정된 $\bar{u}^{V}_{K}(x)$ 분포를 사용한 LO 계산이 데이터를 훨씬 더 잘 맞춘다.
• $K^{+}/\pi^{+}$ $J/\psi$ 비율 데이터는 동일한 PDF를 가정한 이론 예측보다 10–15% 높게 나타나, $K^{+}$ 가 $\pi^{+}$ 보다 더 높은 글루온 함량을 가졌음을 시사한다.
• 글루온 분포를 12% 증가시켜 $K^{+}$ 의 운동량 기여율을 40% 에서 45%로 높이면 이론 예측이 $K^{+}/\pi^{+}$ 데이터와 일치하게 된다.
• $K^{+}/\pi^{+}$ 비율은 $gg$ 융합이 $q\bar{q}$ 상호작용 소멸보다 지배적이므로 열성 쿼크 분포의 수정에 민감하지 않으며, 이는 글루온이 $K^{+}$ 유도 $J/\psi$ 생성에서 중요한 역할을 한다는 것을 강조한다.
• 결과적으로 $J/\psi$ 생성은 Drell-Yan 데이터가 제한된 영역에서 케론 내 열성 쿼크 및 글루온 분포를 추출하는 데 유망한 탐사 도구임을 시사한다.