[论文解读] A short theoretical review of charmonium production

An-Ping Chen, Yan-Qing Ma+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2021

High-Energy Particle Collisions Research被引用 4

一句话总结

本文综述了高能碰撞中重夸克偶素产生理论框架，特别是非相对论QCD（NRQCD）因子化方法，将预测结果与 $pp$、$e^+e^-$、$ep$ 和 $γγ$ 过程中的实验数据进行比较。尽管已实现NLO修正，但在截面、极化及长距离矩阵元（LDMEs）的普遍性方面仍存在张力，凸显了QCD对重夸克偶素产生建模的持续挑战。

ABSTRACT

In this paper, we review the current status of the phenomenological study of quarkonium production in high energy collisions. After a brief introduction of several important models and effective field theories for quarkonium production, we discuss the comparisons between theoretical predictions and experimental measurements.

研究动机与目标

• 评估高能碰撞中重夸克偶素产生现象学模型的当前状态。
• 识别重夸克偶素产生中持续存在的理论-实验差异，特别是关于极化和长距离矩阵元（LDMEs）的问题。
• 评估NRQCD因子化在NLO下对包括截面和极化观测量的描述性能。
• 探讨现有框架的局限性以及新兴方法（如软胶球因子化，SGF）的潜力。

提出的方法

• 综述五种主要理论框架：颜色蒸发模型（CEM）、颜色八重态模型（CSM）、NRQCD因子化、碎片化函数方法和软胶球因子化（SGF）。
• 应用包含Leading-Order（LO）和Next-to-Leading-Order（NLO）QCD修正的NRQCD因子化，计算 $pp$、$e^+e^-$、$ep$ 和 $γγ$ 过程的子过程截面。
• 通过LHC、HERA和DELPHI的数据对LDMEs进行全局拟合，以约束NRQCD中的非微扰矩阵元。
• 将理论预测与CDF、PHENIX、STAR、CMS、ATLAS、ALICE、LHCb、H1、ZEUS和DELPHI等实验在 $J/\psi$ 产额和极化方面的测量数据进行比较。
• 利用光子通量和部分子分布函数，分析 $ep$ 和 $γγ$ 碰撞中分辨光子贡献的作用。
• 通过SGF方法评估相对论修正和速度展开中的收敛性问题的影响，作为潜在的解决方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何NRQCD对 $ep$ 和 $\gamma\gamma$ 碰撞中 $J/\psi$ 极化的预测与HERA数据存在差异，特别是在高横动量区域？
• RQ2 从不同数据集（如LHC与HERA）中提取的LDMEs在多大程度上一致？这对NRQCD的普遍性意味着什么？
• RQ3 为何在 $e^+e^-$ 对撞机中通过 $γ\gamma$ 融合产生 $J/\psi$ 的NLO NRQCD预测显著低于DELPHI数据？${{}^{3}P_{0}^{[8]}}$ 贡献为何发生抵消？
• RQ4 软胶球因子化（SGF）方法是否能通过更好地控制相对论修正，解决NRQCD中的收敛性和普遍性问题？
• RQ5 NRQCD与CGC有效理论的结合在多大程度上能描述 $pp$ 碰撞中全横动量谱下的重夸克偶素产生？

主要发现

• NLO下的NRQCD因子化在 $pp$、$e^+e^-$、$ep$ 和 $γγ$ 过程中对包括截面的重夸克偶素总产额提供了定性正确的描述。
• $ep$ 光致产生中 $J/\psi$ 的极化预测在高 $p_T$ 区域近似为非极化，与H1数据一致，但与ZEUS数据矛盾，后者在 $z \approx 1$ 处显示出横向极化。
• $e^+e^-$ 对撞机中 $γγ$ 融合过程的NLO NRQCD计算结果显著低于DELPHI数据，原因在于 ${{}^{1}S_{0}^{[8]}}$ 与 ${{}^{3}P_{0}^{[8]}}$ LDMEs之间的破坏性干涉，尤其由于 $\langle{\mathcal{O}}^{J/\psi}({{}^{3}P_{0}^{[8]}})\rangle$ 取负值。
• 从多样化数据集提取的LDMEs全局拟合结果不一致，表明LDMEs缺乏普遍性，对NRQCD预测的稳健性构成挑战。
• 极化疑难与LDME普遍性问题依然存在，可能源于NRQCD中速度展开的收敛性差。
• 软胶球因子化（SGF）方法被提出为一种有前景的替代方案，其相对论修正控制更佳，可能解决当前NRQCD中的不一致性。