[論文レビュー] Photon-photon and photon-hadron processes in Pythia 8

Ilkka Helenius|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、Pythia 8に光子-光子および光子-ハドロン過程の新規実装を導入し、e⁺e⁻およびep衝突における直接的および解体的光子生成過程の、完全なパートンシャワーリングおよびマルチパートン相互作用を伴うシミュレーションを可能にした。フレームワークはLEPおよびHERAのデータと照合され、光子ビームではMPI寄与を正確に記述するためには、陽子ビームと比較してより高い$ p_{\text{t0}}^{\text{ref}} $値（約3.0 GeV/c）が必要であることが明らかになった。

ABSTRACT

We present a new implementation of photoproduction processes in e+e- and ep collisions into Pythia 8 Monte-Carlo event-generator. In particular we discuss how the parton showers and multiparton interactions are generated with a resolved photon beam and what is the relative contribution from direct processes in different kinematical regions. As an application we show comparisons to data for charged-particle production in e+e- and ep collisions at LEP and HERA. We consider also photoproduction of dijets comparing to data for ep collisions at HERA and discuss about possibility to further constrain nuclear PDFs with ultra-peripheral heavy-ion collisions at the LHC.

研究の動機と目的

• e⁺e⁻およびep衝突における光子生成過程（直接的および解体的光子寄与を含む）をシミュレートするため、Pythia 8を拡張すること。
• 解体的光子の状態におけるマルチパートン相互作用（MPI）を、解体的光子に特化した$ p_{\text{t0}} $スクリーニングパラメータを用いてモデル化すること。
• LEPおよびHERAでのcharged-particleおよびdijet光子生成過程の実験データと照合して、フレームワークの妥当性を検証すること。
• LHCにおける超外的重イオン衝突の可能性を検討し、核PDF（nPDF）の制約に寄与する可能性を調査すること。

提案手法

• Pythia 8のパートンシャワーおよびMPI生成を、解体的光子ビームに対応させるために改変し、光子内のパートン密度の違いを反映するため、$ p_{\text{t0}} $スクリーニングパラメータを調整した。
• 準実在光子（$ Q^2 < 1\,\text{GeV}^2 $）のための等価光子近似（EPA）を導入し、レプトンからの光子フラックスをモデル化した。
• CJKL光子PDFとDGLAP進化方程式を用いて、解体的光子内のパートン分布を記述し、$ \gamma \to q\bar{q} $分裂を含めた。
• 光子フラックスと光子内パートンPDFの畳み込みにより、部分的断面積を計算した：$ x f_i^l(x,Q^2) = \int_x^1 \frac{dx_\gamma}{x_\gamma} x_\gamma f^l_\gamma(x_\gamma,Q^2) x' f^\gamma_i(x',Q^2) $。
• 初期光子の性質に敏感な運動量観測量$ x_\gamma^{\text{obs}} $を用いて、直接的および解体的寄与をシミュレーションで分離した。
• 超外的重イオン衝突における核修飾効果を推定するために、EPS09LO nPDFsを適用し、dijet断面積におけるnPDFの不確実性を定量した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 e⁺e⁻およびep衝突における異なる運動量領域において、光子生成過程の直接的および解体的光子寄与はどのように変化するか？
• RQ2 プロトン-プロトン衝突と比較して、解体的光子過程におけるマルチパートン相互作用をモデル化する際の$ p_{\text{t0}} $スクリーニングパラメータの最適値は何か？
• RQ3 Pythia 8シミュレーションは、LEPおよびHERAでのcharged-particleおよびdijet光子生成過程の実験データをどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 LHCにおける超外的Pb-Pb衝突におけるdijet光子生成過程は、測定可能な感度を伴って核PDF（nPDF）を新たな制約にかける可能性を有するか？
• RQ5 nPDFにおける核修飾効果が、超外的衝突におけるdijet断面積に与える影響は何か？また、これらの効果を解明するにはどの程度の実験的精度が必要か？

主な発見

• 解体的光子過程における$ p_{\text{t0}}^{\text{ref}} $パラメータは、Pythia 8で3.0 GeV/cにチューニングされた。これは$ \gamma\gamma $過程のデフォルト値と比較して約45%大きく、$ \gamma\text{p} $過程では$ \text{pp} $衝突と比較して約30%大きい。
• チューニングされた$ p_{\text{t0}}^{\text{ref}} = 3.0\,\text{GeV}/c $を用いたシミュレーションは、e⁺e⁻およびep衝突におけるcharged-particle生成に関して、LEPおよびHERAのデータと良好に一致した。
• HERAにおけるdijet光子生成過程では、シミュレーションはデータのトレンドを再現しており、高$ x_\gamma^{\text{obs}} $領域では直接的過程が支配的である一方、$ x_\gamma^{\text{obs}} > 0.8 $であっても解体的過程が顕著な寄与を示した。
• 高$ x_\gamma^{\text{obs}} $における解体的寄与は、現在のジャケットアルゴリズムやPDFモデルが観測断面積に影響を与えている可能性を示唆しており、さらなるチューニングの必要性を示している。
• 超外的Pb-Pb衝突において、HERAと同等の運動量条件では、nPDFのみからもdijet断面積に10%の不確実性が生じる。これは、将来的な測定が十分な精度でnPDFを制約可能である可能性を示している。
• 本研究は、正確な核光子フラックスと組み合わせた場合、超外的衝突におけるdijet光子生成過程が核PDF修飾の因子分解整合的かつ独自のテストを提供することを示した。