[论文解读] Hadronic Production of $chi_c$-mesons at LHC

A. K. Likhoded, A. V. Luchinsky+1 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 15被引用 6

一句话总结

本文利用非相对论性量子色动力学（NRQCD）框架下的下一阶微扰量子色动力学（NLO QCD）计算，研究了大型强子对撞机（LHC）上 $χ_{cJ}$ 粲偶素态的强子产生过程。研究发现，色单重贡献在 $χ_{c1}$ 和 $χ_{c2}$ 产生中占主导地位，而 $P$-波色八重态分量贡献显著，$S$-波分量可忽略不计；$χ_{c2}/χ_{c1}$ 和 $χ_{c0}/χ_{c1}$ 比值是区分这些贡献的关键可观测量，理论预测与 LHCb 和 CDF 实验数据吻合良好。

ABSTRACT

Hadronic production of $P$-wave charmonium states $χ_{cJ}$ in hadronic interaction is considered. Using experimental results of CDF and LHCb collaborations we show, that contributions of color-singlet components are dominant. As for color-octet mechanism, we show, that contributions from $P$-wave states can also be observed, while $S$-wave states can be neglected. The best experimental observables that give information about relative importance of color-singlet and color-octet components are the ratios $χ_{c2}/χ_{c1}$ and $χ_{c0}/χ_{c1}$.

研究动机与目标

• 确定高能强子对撞机中 $P$-波粲偶素产生过程中色单重与色八重态分量的相对贡献。
• 评估 $P$-波色八重态机制在解释 $χ_{cJ}$ 态横动量分布与产生比值方面的可行性。
• 针对 LHCb 实验的可行性，提供 $χ_{c0}$ 产生截面及 $p_T$-依赖比值的理论预测。
• 通过分析参数相关性，调和现象学估算的 $|R'(0)|^2$ 值与从 $χ_{c2}$ 强子衰变宽度提取的值之间的差异。

提出的方法

• 采用下一阶微扰（NLO）QCD 计算子过程 $gg \to \chi_{cJ}g$，该过程允许非零横动量，从而在满足 Landau-Yang 定理的前提下实现 $\chi_{c1}$ 的产生。
• 应用非相对论性量子色动力学（NRQCD）因子化框架，将物理 $χ_{cJ}$ 态分解为色单重与色八重态 Fock 分量：$|c\bar{c}[{}^3P_J^{[1]}]\rangle$，$|c\bar{c}[{}^3S_1^{[8]}]\rangle$，和 $|c\bar{c}[{}^1P_1^{[8]}]\rangle$。
• 构建微分截面，作为由矩阵元 $|R'(0)|^2$、$\langle \mathcal{O}_S \rangle$ 和 $\langle \mathcal{O}_P \rangle$ 加权的贡献之和，其中后两者在 NRQCD 展开中按夸克相对速度抑制。
• 将理论预测与 CDF 和 LHCb 实验中 $χ_{cJ}$ 产生截面及 $p_T$ 分布数据进行拟合，以提取色单重（CS）与色八重态（CO）分量的相对重要性。
• 通过 $\chi^2$ 基准参数扫描，确定 $|R'(0)|^2$ 与 $\langle \mathcal{O}_P \rangle$ 的允许区域，考虑参数相关性与不确定性。
• 预测 LHCb 实验中 $χ_{c0}$ 的产生截面及 $p_T$-依赖比值 $χ_{c0}/χ_{c1}$ 与 $χ_{c0}/χ_{c2}$，以供未来实验对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 LHC 上，$χ_{c1}$ 和 $χ_{c2}$ 产生过程中，色单重与色八重态分量的相对贡献是多少？
• RQ2 在 $χ_{cJ}$ 产生中能否观测到 $P$-波色八重态贡献？其与 $S$-波贡献相比如何？
• RQ3 具体而言，$χ_{c2}/χ_{c1}$ 和 $χ_{c0}/χ_{c1}$ 等实验可观测量中，哪一个最能区分色单重与色八重态机制？
• RQ4 $|R'(0)|^2$ 与 $\langle \mathcal{O}_P \rangle$ 的提取值与从 $χ_{c2}$ 强子衰变宽度获得的现象学估算相比如何？
• RQ5 LHCb 实验中 $χ_{c0}$ 产生截面及 $p_T$-依赖比值的理论预测是什么？如何通过实验进行检验？

主要发现

• 色单重贡献主导了 $χ_{c1}$ 和 $χ_{c2}$ 介子的产生，$χ_{c2}/χ_{c1}$ 比值是探测这些分量相对强度的关键可观测量。
• 来自 $P$-波色八重态分量的贡献不可忽略，且对解释实验数据至关重要，而 $S$-波色八重态贡献可安全忽略。
• LHCb 实验中 $χ_{c1}$ 和 $χ_{c2}$ 产生截面及 $p_T$ 分布的理论预测与 LHCb 合作组的实验数据高度一致。
• $χ_{c0}/χ_{c1}$ 和 $χ_{c0}/χ_{c2}$ 比值在 LHCb 实验中可测量，且是探测 $P$-波色八重态分量的敏感探针。
• 从拟合中提取的 $|R'(0)|^2$ 值高于从 $χ_{c2}$ 强子宽度获得的现象学估算值 $\approx 0.08\,\text{GeV}^5$，提示需在高能条件下重新评估波函数参数。
• 参数相关性分析表明，由于高能效应导致 $|R'(0)|^2$ 增大时，$\langle \mathcal{O}_P \rangle$ 相应减小，表明这两个矩阵元之间存在权衡关系。