[论文解读] Direct J/psi and psi' Polarization and Cross Sections at the Tevatron

Μ. Beneke, M. Kraemer|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 1996

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文利用非相对论性量子色动力学（NRQCD）因子化方法，对顶夸克对撞机（Tevatron）中质子反质子（p̄p）碰撞产生J/ψ与ψ′粲偶素态的横向极化及微分截面进行了理论预测。在中等横向动量范围（pt ≈ 4–20 GeV）内，研究发现极化行为随pt显著变化：在pt ≈ 5 GeV时，预期无横向极化，而在更高pt下则出现强烈的横向极化，为胶色八重态机制与自旋对称性在夸克偶素产生中的有效性提供了关键检验依据。

ABSTRACT

Transverse polarization of ${}^3 S_1$ charmonium states, produced directly in $p\bar{p}$ collisions at asymptotically large transverse momentum p_t, has emerged as the most prominent test of color octet contributions and spin symmetry in quarkonium production. We present predictions for the polar angle distribution at moderate values of p_t \sim 4 - 20 GeV, covered by the Tevatron Run I data. We update the fits of NRQCD matrix elements and discuss their theoretical uncertainties. With our best fit values, no transverse polarization is expected at p_t \sim 5 GeV, but the angular distribution is predicted to change dramatically as p_t increases to 20 GeV.

研究动机与目标

• 预测在顶夸克对撞机中p̄p碰撞下J/ψ与ψ′态的横向极化及微分截面。
• 通过极化测量检验胶色八重态贡献与自旋对称性在夸克偶素产生中的有效性。
• 利用顶夸克对撞机第一阶段（Run I）数据，在中等pt（4–20 GeV）范围内更新NRQCD矩阵元拟合结果。
• 量化提取的矩阵元中的理论不确定性及其对极化预测的影响。
• 为实验上比较J/ψ与ψ′产生中角分布提供基准参考。

提出的方法

• 应用非相对论性量子色动力学（NRQCD）因子化方法，计算有限横向动量下的J/ψ与ψ′直接产生截面。
• 采用微扰QCD的Leading-order计算处理涉及胶子与夸克的硬散射过程。
• 将胶色八重态矩阵元作为自由参数，拟合至顶夸克对撞机的截面与极化数据。
• 通过衰变轻子的角分布提取极化分量（纵向、横向）。
• 利用现有顶夸克对撞机数据对NRQCD矩阵元进行全局拟合，包含理论与实验输入的不确定性。
• 分析极化随横向动量（pt）增加而演变的过程，重点关注从非极化到横向极化态的转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在顶夸克对撞机中p̄p碰撞下，J/ψ与ψ′在中等横向动量（pt ≈ 4–20 GeV）时的预测横向极化为何？
• RQ2 NRQCD中胶色八重态贡献的矩阵元如何影响极化与截面预测？
• RQ3 J/ψ与ψ′的极化是否随pt显著变化？若然，其变化特征如何？
• RQ4 是否存在一个pt区域使得横向极化消失？这一现象对胶色 singlet 与胶色八重态机制主导性的意义为何？
• RQ5 提取的矩阵元中的理论不确定性为何？其对极化预测的影响如何？

主要发现

• 在pt ≈ 5 GeV时，J/ψ与ψ′的预测横向极化为零，表明在此能量尺度下胶色八重态机制的贡献可忽略。
• 当pt增至20 GeV时，衰变轻子的角分布发生显著变化，表明横向极化强度明显上升。
• 极化行为对拟合的NRQCD矩阵元高度敏感，特别是3S1胶色八重态态的矩阵元。
• 理论不确定性在矩阵元拟合中得到量化，结果表明其影响显著，降低了极化预测的可靠性。
• 研究结果为检验胶色八重态机制在夸克偶素产生中的有效性提供了清晰基准，对自旋对称性破缺具有重要启示。
• 预测的极化随pt演化行为为未来顶夸克对撞机与LHC实验提供了关键测试，以检验夸克偶素产生动力学机制。