[論文レビュー] Parton distribution functions probed in ultraperipheral collisions at the CERN Large Hadron Collider

J. Thomas, C. A. Bertulani+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2016

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、LHCにおけるultraperipheral Pb+Pb衝突において、小xおよび中程度のQ²におけるパートン分布関数（PDFs）を調べる目的で、ベクトルメソン生成（J/ψ、ψ(2S)、Υ）を調査する。理論的モデルを用い、複数のPDFセット（EPS09、CT14、nCTEQ15、nDS）に加え、物質中補正を組み合わせた解析により、√sNN = 2.76 TeVおよび5 TeVにおける迅速度分布および断面積を予測した。その結果、グルーオンシャドウイングおよび物質中修正に強く敏感であり、PDFセット間で断面積が最大10倍の差を示すことが明らかになった。

ABSTRACT

Vector meson production in ultra-peripheral pA and AA collisions at the CERN Large Hadron Collider (LHC) are very sensitive to Parton Distribution Functions (PDF) as well as to their leading-order, next-to-leading-order, and medium corrections. This process is a complimentary tool to explore the effects of different PDFs in particle production in proton-nucleus and nucleus-nucleus central collisions. Existing and forthcoming data available, e.g., from ALICE and CMS, may be used in conjunction with our theoretical predictions to constrain the PDFs. We make predictions for rapidity distributions and for cross sections of J/$ψ$ , $ψ(2S)$ and $Υ$ production at $\sqrt{s_{NN}}=2.76$ TeV and $\sqrt{s_{NN}}=5$ TeV. We use the second energy as representative for the Run 2 of PbPb collisions at the LHC.

研究の動機と目的

• 小運動量分数xにおける異なるパートン分布関数（PDFs）が、ultraperipheral衝突（UPCs）におけるベクトルメソン生成に与える影響をテストすること。
• 物質中補正（例えば、シャドウイングおよびアンチシャドウイング）が、光生成断面積および迅速度分布に与える影響を評価すること。
• LHCラン2に代表される√sNN = 2.76 TeVおよび5 TeVにおけるJ/ψ、ψ(2S)、Υ(1S)生成について、理論的予測を提供すること。
• UPCデータが、特に低xにおけるグルーオン分布のPDF不確実性を制約する能力を評価すること。
• UPCデータと中心的衝突測定の相乗効果を、QCDダイナミクスおよび核子PDFを調べる上で果たす役割を強調すること。

提案手法

• UPCにおける排他的光生成の一次ツイスト近似を採用し、一方の核子から発する準実光子が他方の核子内のパートンと相互作用することを想定する。
• 色蒸発モデルおよび一般化パートン分布（GPD）フレームワークを用いて、光子-グルーオン融合によるベクトルメソン生成を記述する。
• 複数のPDFセット（EPS09、CT14、nCTEQ15、nDS、CJ12）を用い、物質中補正（例：HKN07、nDS、EPS09）を含む・含まない両方のケースを検討する。
• 断面積の総和および迅速度分布を、式 dσ/dy ∝ ∫ dx G(x, Q²) × dσ_γg/dy を用いて計算し、Q²はメソン質量に依存する。
• 光生成振幅におけるベクトルメソン波動関数効果を補正する係数 ζ_V を導入する。
• PDFセット間での結果を比較し、低xにおけるグルーオンシャドウイングおよび物質中修正への感受性を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EPS09、CT14、nCTEQ15などの異なるPDFセットが、UPCにおけるJ/ψ、ψ(2S)、Υ生成の予測断面積および迅速度分布にどのように影響を与えるか。
• RQ2 低xにおける物質中修正（例えば、グルーオンシャドウイングおよびアンチシャドウイング）に、予測がどの程度敏感か。
• RQ3 より大きな質量と縮小した位相空間を考慮すると、Υ(1S)の断面積および迅速度分布はJ/ψやψ(2S)と比べてどのように異なるか。
• RQ4 √sNN = 5 TeV（ラン2）におけるUPCデータが、異なるシャドウイング行動を示す競合するPDFセットを区別するのに役立つかどうか。
• RQ5 最終状態相互作用および分解可能な光子寄与が、データとモデルの乖離に寄与している役割は何か。

主な発見

• 物質中補正を施したEPS09 PDFセットは、ALICEおよびCMSの既存のJ/ψデータと最も良好に一致し、シャドウイング効果の評価に適していることが示唆された。
• Υ(1S)生成の全断面積は、メソン質量が大きく位相空間が縮小するため、J/ψと比べて1000倍以上も減少する。
• Υ(1S)の迅速度分布は、J/ψと比べて著しく狭くなり、光生成におけるQ²依存性の強さが反映されている。
• √sNN = 5 TeVにおける異なるPDFセット（例：CJ12対CT14）間で断面積に最大10倍の差が生じ、グルーオンPDFへの感受性が顕著であることが明らかになった。
• 中間迅速度領域ではシャドウイング効果が支配的であるが、前後方向の迅速度領域ではアンチシャドウイングの影響は最小限である。
• √sNN = 5 TeVにおけるΥ(1S)断面積の理論的予測値は、11 μb（CJ12 + HKN07）から189 μb（CT14 + HKN07）まで変動し、PDF不確実性が顕著であることが示された。