[논문 리뷰] Production of $J/ψ+ χ_c$ and $J/ψ+ J/ψ$ with real gluon emission at LHC

A. K. Likhoded, A. V. Luchinsky외 1명|2016. 06. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 다음차수 보정(NLO*) 수준의 진짜 글루온 방출을 통한 $J/\psi + \chi_c$ 및 $J/\psi + J/\psi$ 최종 상태의 생성을 조사하며, 특히 $C$-대칭에 의해 고려되지 않는 1차 순서 과정이므로 $J/\psi + \chi_c$의 경우 고차항 기여가 지배적임을 보여준다. 진짜 글루온 방출의 포함은 배경-배경 상관관계와 같은 운동량역학 문제를 해결하고, 직접 생성, 피드다운, 이중 parton 산란 메커니즘 간의 구별을 위한 고유한 운동량역학 분포를 가능하게 한다.

ABSTRACT

In the present work we study production of $J/ψ+ χ_c$ and $J/ψ+ J/ψ$ in LHC. The first process is forbidden at the leading order in gluon fusion due to the $C$-parity conservation, and the first non-vanishing contribution is given by the process with additional emission of real gluon. Considering the direct production of $J/ψ+ J/ψ$, where the leading order is allowed, we have found that the contribution from the higher order process with real gluon emission is comparable and even more significant than the leading order. Moreover, account of this higher order effect dramatically changes kinematical distributions. Through the present paper we study in details different channels of paired $J/ψ+ J/ψ$ production: direct $J/ψ+ J/ψ$ production, feed-down from $J/ψ+ χ_c$ channel, double parton scattering. We also try to find kinematical distributions that are most suitable to separate these different channels.

연구 동기 및 목표

• C-대칭 보존에 의해 1차 순서에서 금지된 $J/\psi + \chi_c$ 생성에서 진짜 글루온 방출의 역할을 분석하는 것.
• 1차 순서 과정이 허용되지만 여전히 중요한 NLO* (진짜 글루온 방출) 기여의 기여도를 평가하는 것.
• 쌍체 채론늄 생성에서 직접 생성, 피드다운, 이중 parton 산란(DPS) 기여를 구별할 수 있는 운동량역학 분포를 규명하는 것.
• 2→2 과정에서의 강한 배경-배경 운동량역학 문제를 진짜 글루온 방출을 통해 해결하는 것.
• 차별화 가능한 운동량역학 분포의 상관 분석을 통해 기초 생성 메커니즘을 식별할 수 있는 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 진짜 글루온 방출을 고려한 NLO* 기여를 모델링하기 위해 $gg \to J/\psi + \chi_c + g$ 및 $gg \to J/\psi + J/\psi + g$의 parton 수준 과정을 사용하는 것.
• 진짜 글루온 방출의 기여가 1차 순서를 초월하여 얼마나 중요한지를 평가하기 위해 $O(\alpha_S^5)$ 계산을 적용하는 것.
• 진짜 글루온 방출으로 인한 초기상태 및 최종상태의 공선 특이성을 정규화하기 위해 운동량역학적 절단 조건을 도입하는 것.
• 다양한 생성 채널(즉각적, 피드다운, DPS) 간의 가시성 차이를 정량화하기 위해 피어슨 상관계수 $\mathcal{P}^v_{ij}$를 사용하는 것.
• 이벤트 생성기 코드(비트버킷에 공개)를 활용하여 미분 단면적 및 운동량역학 분포를 시뮬레이션하고 분석하는 것.
• 색 구조와 피카르도 다이어그램 기여를 분석하여 $J/\psi + \chi_c$와 $J/\psi + J/\psi$ 생성 메커니즘 간의 차이를 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 C-대칭 보존으로 인해 1차 순서 과정이 금지된 $J/\psi + \chi_c$ 생성에서 NLO* 진짜 글루온 방출 기여는 얼마나 중요한가?
• RQ2 $J/\psi + J/\psi$ 생성에서 진짜 글루온 방출의 기여가 1차 순서 단면적을 얼마나 초월하는가?
• RQ3 어느 운동량역학 분포(예: 진동 질량, 횡방향 운동량, 자장각)가 직접 생성, 피드다운, 이중 parton 산란 기여를 가장 잘 구별하는가?
• RQ4 진짜 글루온 방출은 1차 순서 2→2 과정에서의 배경-배경 운동량역학 문제를 어떻게 해결하는가?
• RQ5 진짜 글루온 방출이 있는 $J/\psi + \chi_c$와 $J/\psi + J/\psi$ 생성에서 각각의 고유한 색 구조와 피카르도 다이어그램 기여는 무엇인가?

주요 결과

• $J/\psi + \chi_c$ 생성의 NLO* 단면적은 $C$-대칭 억제와 비정상적인 상쇄로 인해 놀랍게 작으며, 피코반 수준이다.
• $J/\psi + J/\psi$ 생성의 경우 NLO* 단면적이 1차 순서 단면적을 초월하여 $\sqrt{s} = 13\,\text{TeV}$에서 몇 나노반 수준에 이른다.
• 진짜 글루온 방출의 포함은 1차 순서 2→2 과정에서의 비물리적 배경-배경 운동량역학 문제를 해결하고, $p_T$, $\Delta\phi$, $A_T$에서 비선형적인 분포를 가능하게 한다.
• 자장각의 이질성 $\Delta\phi$는 $J/\psi + J/\psi$와 DPS 간의 피어슨 상관계수 $\mathcal{P}^{\Delta\phi}_{ij} = 0.79$를 보이며, 가장 중요한 분류 기준이 된다.
• 횡방향 운동량 이질성 $A_T$와 빠르기 $y_{J/\psi}$는 강력한 분류 잠재력을 보이며, $J/\psi + J/\psi$ 대 $J/\psi + \chi_c$의 경우 $\mathcal{P}^{y_{J/\psi}}_{ij} = 0.54$이다.
• 진동 질량 분포 $m_{J/\psi + J/\psi}$와 총 횡방향 운동량 $p_T^{J/\psi + J/\psi}$ 역시 측정 가능한 분류 기여를 보이며, $J/\psi + J/\psi$ 대 DPS의 경우 $\mathcal{P}^{m_{J/\psi + J/\psi}}_{ij} = 0.21$이다.