[论文解读] Double, triple, and $n$-parton scatterings in high-energy proton and nuclear collisions

D. d’Enterria, Alexander Snigirev|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2017

High-Energy Particle Collisions Research被引用 5

一句话总结

本文提出了一种因子化框架，利用微扰QCD在NLO或NNLO精度下计算高能质子-质子、质子-核以及核-核碰撞中双（DPS）、三（TPS）及一般n部分子散射（NPS）截面。关键贡献是通过Glauber方法从横向上部分子分布推导出有效截面 $\sigma_{\rm eff}$，从而实现对LHC和FCC能量下重夸克、夸克胶子束缚态及规范玻色子的DPS与TPS产额的定量估计，核碰撞中由于 $A^2$ 及更高阶的 $A$-标度效应导致显著增强。

ABSTRACT

The framework to compute the cross sections for the production of particles with high mass and/or large transverse momentum in double- (DPS), triple- (TPS), and in general $n$-parton scatterings, from the corresponding single-parton ($\\sigma_{\ m SPS}$) values in high-energy proton-proton, proton-nucleus, and nucleus-nucleus is reviewed. The basic parameter of the factorized $n$-parton scattering ansatz is an effective cross section $\\sigma_{\ m eff}$ encoding all unknowns about the underlying generalized $n$-parton distribution in the proton (nucleon). In its simplest and most economical form, the $\\sigma_{\ m eff}$ parameter can be derived from the transverse parton profile of the colliding protons and/or nucleus, using a Glauber approach. Numerical examples for the cross sections and yields expected for the concurrent DPS or TPS production of heavy-quarks, quarkonia, and/or gauge bosons in proton and nuclear collisions at LHC and Future Circular Collider (FCC) energies are provided. The obtained cross sections are based on perturbative QCD predictions for $\\sigma_{\ m SPS}$ at next-to-leading-order (NLO) or next-to-NLO (NNLO) accuracy including, when needed, nuclear modifications of the corresponding parton densities.

研究动机与目标

• 开发一种因子化框架，用于计算高能强子碰撞中的n部分子散射截面。
• 估算LHC和未来环形对撞机（FCC）能量下质子与核碰撞中重夸克、夸克胶子束缚态及规范玻色子的DPS与TPS产额。
• 通过核横向上密度分布，在pA碰撞中独立提取 $\sigma_{\rm eff,\textsc{dps}}$。
• 评估多部分子关联与核物质中部分子密度分布对NPS过程的影响。
• 评估DPS与TPS作为稀有末态探测中背景的重要性，以及作为三维部分子结构探针的潜力。

提出的方法

• 该框架采用因子化假设，即NPS截面由单部分子散射（SPS）截面乘以 $\sigma_{\rm eff}$ 得到。
• 有效截面 $\sigma_{\rm eff}$ 通过Glauber方法从横向上部分子分布推导，编码了未知的多部分子关联。
• 截面通过广义n部分子分布函数（PDF）与NLO或NNLO微扰部分子截面的卷积计算。
• 在pA和AA碰撞中，必要时引入部分子密度的核修改。
• 通过核重叠函数建模影响参数依赖性，AA碰撞中DPS截面与之成正比。
• 对LHC和FCC能量下双 $J/\psi$、$J/\psi\Upsilon$ 及同号WW产生等过程进行数值估算。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC和FCC能量下，pp、pA和AA碰撞中重夸克、夸克胶子束缚态及规范玻色子的DPS与TPS并发产生预期截面是多少？
• RQ2 编码多部分子关联的 $\sigma_{\rm eff}$ 参数在不同碰撞体系中如何变化？其在横向上部分子分布中的起源是什么？
• RQ3 在pA和AA碰撞中，DPS与TPS过程在多大程度上可独立提供 $\sigma_{\rm eff,\textsc{dps}}$ 信息，而无需依赖pp测量？
• RQ4 在AA碰撞中，来自同一核子与不同核子的部分子相互作用的相对贡献如何随核质量数A变化？
• RQ5 在极高能宇宙射线与大气核子相互作用中，TPS过程的显著性如何？

主要发现

• 在PbPb碰撞中，由于 $A^2$ 及更高阶 $A$-标度效应，DPS截面相比pp SPS截面增强了约 $10^7$ 倍。
• 对于 $^{208}$Pb+$^{208}$Pb，仅有2.5%的DPS产额来自单个核子内的部分子相互作用，其余97.5%来自不同核子间的相互作用。
• 在TPS中，三个部分子分别来自三个不同核子的贡献，相比来自两个核子的三部分子相互作用，其贡献高出约40,000倍。
• 在重离子碰撞中夸克胶子束缚态产生事件的逐事件分析中，必须显式考虑双 $J/\psi$ 和双 $\Upsilon$ 最终态。
• 在极高能宇宙射线能量下，三重粲-反粲对产生TPS截面等于总p-Air非弹性截面，意味着所有此类碰撞至少通过多重部分子相互作用产生三个 $c\bar{c}$ 对。
• 双 $J/\psi$、$J/\psi\Upsilon$ 及同号WW产生等过程在LHC和FCC亮度下具有可观测截面和高事例率，使其成为可行的研究对象。