[论文解读] Constraints on Nonrelativistic-QCD Long-Distance Matrix Elements from $J/ψ$ Plus $W$/$Z$ Production at the LHC

Mathias Butenschoen, Bernd A. Kniehl|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文在非相对论性量子色动力学（NRQCD）因子化框架下，首次完成了大型强子对撞机（LHC）上即时J/ψ + W/Z产生过程的下一阶修正（NLO）QCD计算。通过与ATLAS实验数据对比，该研究对长距离矩阵元（LDMEs）施加了严格约束，发现强烈支持胶色八重态机制，并排除了多个现有LDME集合与观测结果不兼容的可能性。

ABSTRACT

We study the associated production of prompt $J/\psi$ mesons and $W$ or $Z$ bosons within the factorization approach of nonrelativistic QCD (NRQCD) at next-to-leading order in $\alpha_s$, via intermediate color singlet ${^3}S_1^{[1]}$ and ${^3}P_J^{[1]}$ and color octet ${^1S}_0^{[8]}$, ${^3S}_1^{[8]}$ and ${^3P}_J^{[8]}$ states. Requiring for our predictions to be compatible with recent ATLAS measurements yields stringent new constraints on charmonium long-distance matrix elements (LDMEs) being nonperturbative, process-independent input parameters. Considering four popular LDME sets fitted to data of single $J/\psi$ inclusive production, we find that one is marginally compatible with the data, with central predictions typically falling short by a factor of three, one is unfavored, the factor of shortfall being about one order of magnitude, and two violate cross section positivity for direct $J/\psi+W/Z$ production. The large rate of prompt $J/\psi$ plus $W$ production observed by ATLAS provides strong evidence for the color octet mechanism inherent to NRQCD factorization, the leading color singlet contribution entering only at $\mathcal{O}(G_F\alpha_s^4)$, beyond the order considered here.

研究动机与目标

• 在非相对论性量子色动力学（NRQCD）因子化框架下，首次提供即时J/ψ + W/Z强子产生过程的完整NLO计算。
• 利用近期ATLAS对J/ψ + W/Z产生过程的测量结果，约束非微扰长距离矩阵元（LDMEs）。
• 检验已有的LDME集合（这些集合是基于单一致 inclusive J/ψ产生数据拟合得到的）与关联产生数据的兼容性。
• 通过与实验截面进行高精度比较，评估胶色八重态机制在底夸克偶素产生中的有效性。
• 识别在αs的NLO阶下满足截面正定性与实验一致性的LDME集合。

提出的方法

• 应用NRQCD因子化，将截面表示为短距离系数与LDMEs之和的形式：σ = Σ_n ˜σ(pp → cc[n] + W/Z + X) × ⟨OH(n)⟩。
• 利用微扰QCD在αs的NLO阶下计算部分子截面˜σ，包括P波态产生过程中的虚辐射修正。
• 在轴矢量耦合中通过标准方案处理γ5，采用反称化的γµγ5与Levi-Civita张量，确保在维度正则化下的自洽性。
• 使用FeynArts生成振幅，结合自定义的FORM与Mathematica代码进行代数化简，并采用两种独立方法（积分-by-parts与Passarino-Veltman约化）进行张量约化。
• 使用并行化的VEGAS算法执行数值积分，通过与OneLoop和QCDLoop的解析结果对比，对基本积分进行验证。
• 采用双极子减法与相空间切片法保证红外安全性，验证了数值一致性，并显示双极子减法具有更高的精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些NRQCD长距离矩阵元（LDMEs）与LHC上ATLAS对J/ψ + W/Z产生过程的测量结果相兼容？
• RQ2 已有的LDME集合（基于单一致inclusive J/ψ数据拟合）在多大程度上能预测J/ψ + W/Z产生过程的观测截面？
• RQ3 J/ψ + W产生过程观测到的高截面是否支持胶色八重态机制，而非一阶修正下的胶色 singlet 贡献？
• RQ4 哪些LDME集合在关联J/ψ + W/Z产生过程中违反了截面正定性？
• RQ5 在NRQCD中进行NLO QCD计算，能否解决包含产生与关联产生底夸克偶素数据之间的不一致性？

主要发现

• 在测试的四个LDME集合中，仅有一个在统计上勉强与ATLAS数据兼容，但其中心值预测结果仍比观测值低约三倍。
• 一个LDME集合不被支持，其预测截面比观测值低约一个数量级。
• 两个LDME集合在直接J/ψ + W/Z产生过程中违反了截面正定性，因此在物理上不一致。
• J/ψ + W产生过程观测到的高截面为NRQCD中胶色八重态机制提供了强有力证据。
• J/ψ + W/Z产生过程中，主导的胶色 singlet 贡献被抑制至O(GF α⁴s)量级，超出此处考虑的NLO阶，确认了八重态通道的主导地位。