[论文解读] Quarkonium at the Frontiers of High Energy Physics: A Snowmass White Paper

Geoffrey T. Bodwin, Eric Braaten+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 44

一句话总结

本Snowmass白皮书概述了底夸克物理的两大前沿领域：开重味味阈值以上的粲偶素与底偶素态的谱学，以及高横动量底夸克物理的产生。该文提出，结合非相对论性量子色动力学（NRQCD）与有效场论的发展，e⁺e⁻对撞机与大型强子对撞机（LHC）的实验将解决底夸克谱学中长期存在的谜题，并实现对高pT下底夸克产生机制的精确检验，特别是通过高pT下的单态与双态产生过程。其核心贡献在于为阐明奇特底夸克态的本质并完善高能强子碰撞中底夸克产生理论框架提供了一条路线图。

ABSTRACT

In this Snowmass White Paper, we discuss physics opportunities involving heavy quarkonia at the intensity and energy frontiers of high energy physics. We focus primarily on two specific aspects of quarkonium physics for which significant advances can be expected from experiments at both frontiers. The first aspect is the spectroscopy of charmonium and bottomonium states above the open-heavy-flavor thresholds. Experiments at e^+ e^- colliders and at hadron colliders have discovered many new, unexpected quarkonium states in the last 10 years. Many of these states are surprisingly narrow, and some have electric charge. The observations of these charged quarkonium states are the first definitive discoveries of manifestly exotic hadrons. These results challenge our understanding of the QCD spectrum. The second aspect is the production of heavy quarkonium states with large transverse momentum. Experiments at the LHC are measuring quarkonium production with high statistics at unprecedented values of p_T. Recent theoretical developments may provide a rigorous theoretical framework for inclusive production of quarkonia at large p_T. Experiments at the energy frontier will provide definitive tests of this framework. Experiments at the intensity frontier also provide an opportunity to understand the exclusive production of quarkonium states.

研究动机与目标

• 识别并优先考虑在强度与能量前沿中底夸克物理最具前景的研究方向。
• 解决在开重味味阈值以上理解底夸克态QCD谱系所面临的理论与实验挑战。
• 发展并测试高横动量下底夸克产生（包括含子过程与非含子过程）的严谨理论框架。
• 通过未来的对撞机实验，实现对NRQCD因子化与底夸克产生中自旋结构的精确检验。
• 指导未来的实验计划，包括Belle II、升级后的LHC，以及拟议的e⁺e⁻与ep对撞机，以解决底夸克谱学与动力学中的未解问题。

提出的方法

• 利用非相对论性量子色动力学（NRQCD）因子化描述高能强子碰撞中的底夸克产生，将微扰与非微扰贡献分离。
• 应用有效场论（如势能非相对论性QCD，pNRQCD）分析非相对论性区域中底夸克谱学与衰变性质。
• 利用e⁺e⁻对撞机研究双粲偶素的单态产生，测量自旋依赖振幅，以检验NRQCD预测。
• 借助LHC的高亮度与高能升级，测量大pT下的底夸克产生，以检验下一阶修正（NLO）及更高阶QCD校正。
• 提出未来的ep与e⁺e⁻对撞机，以解决高pT强子产生数据中色八重态矩阵元的模糊性，并通过高精度测量检验极化预测。
• 实施重求和技术，以控制如J/ψ + ηc与J/ψ + χ_{cJ}等自旋抑制通道中的大对数项。

实验结果

研究问题

• RQ1 在开粲味与开底味阈值以上新发现的窄宽度、带电底夸克态的本质是什么？它们如何挑战标准夸克模型？
• RQ2 NRQCD理论框架应如何改进，以准确描述大横动量下的含子过程底夸克产生？
• RQ3 Belle-II与未来对撞机中单态底夸克产生率与自旋分布在多大程度上可验证NRQCD因子化与矩阵元确定的正确性？
• RQ4 未来的ep与e⁺e⁻对撞机如何解决由高pT强子产生数据中色八重态矩阵元带来的当前模糊性？
• RQ5 在自旋抑制的底夸克产生通道中，对大对数项进行重求和是否能形成一个受控且具有预测能力的理论框架？

主要发现

• e⁺e⁻对撞机与强子对撞机的实验已发现大量窄宽度、带电的底夸克态，如X(3872)与Y(4260)，它们是明显奇异强子的首批确凿实例。
• NRQCD与有效场论的理论进展现为大pT下含子过程底夸克产生的精确描述提供了严谨框架，其预测可在LHC上得到检验。
• Belle-II中双粲偶素的单态产生为探测自旋结构提供了独特手段，并可检验自旋抑制通道中大对数项的重求和。
• 若质心系能量超过12.5 GeV，Belle-II可能探测到B_c共振态谱，从而实现对B_c衰变与激发态的研究。
• 未来ep对撞机中对pT > 10 GeV的底夸克极化进行高精度测量，有望解决当前色八重态矩阵元的模糊性。
• 在高于LEP量级的更高pT下测量含子过程J/ψ产生，可解决NRQCD矩阵元全局拟合与LEP数据之间的张力。