[论文解读] Exclusive double quarkonium production and generalized TMDs of gluons

Shohini Bhattacharya, Andreas Metz+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2018

High-Energy Particle Collisions Research被引用 6

一句话总结

本文提出在核子-核子碰撞中通过单 exclusive 双底夸克偶素产生（ηc 或 ηb）作为研究胶子广义横动量依赖部分子分布（GTMDs）的新探针。利用Leading-order微扰QCD和极化可观测量，证明可通过特定干涉项探测GTMD $F_{1,4}$，而$G_{1,1}$在当前可观测量下仍具实验挑战性，尽管双初始态核子极化可提升探测灵敏度。

ABSTRACT

Being the "mother distributions" of all types of two-parton correlation functions, generalized transverse momentum dependent parton distributions (GTMDs) have attracted a lot of attention over the last years. We argue that exclusive double production of pseudoscalar quarkonia ($η_c$ or $η_b$) in nucleon-nucleon collisions gives access to GTMDs of gluons.

研究动机与目标

• 建立胶子广义横动量依赖部分子分布（GTMDs）的新实验探测通道，这些分布目前难以测量。
• 探索通过核子-核子碰撞中单 exclusive 双底夸克偶素产生测量特定胶子GTMDs（特别是$F_{1,4}$和$G_{1,1}$）的可行性。
• 识别可分离GTMD实部与虚部的极化可观测量，尤其针对与部分子轨道角动量相关的$F_{1,4}$。
• 评估不同极化设置（如单核子极化与双核子极化）对不同GTMD分量的探测灵敏度。

提出的方法

• 对核子-核子碰撞中单 exclusive 双底夸克偶素产生进行Leading-order（LO）微扰QCD分析，聚焦于赝标量底夸克偶素（ηc 或 ηb）。
• 使用非前向胶子-胶子关联函数定义胶子GTMDs，其中$F_{1,4}$和$G_{1,1}$因与核子自旋结构的相关性而成为关键研究目标。
• 构建涉及一个初始态核子自旋 quantization 轴与末态核子反冲极化测量的极化可观测量，以探测GTMD之间干涉项。
• 分析截面的角依赖性（φ）以提取GTMD干涉信息，特别关注与$F_{1,4}$虚部相关的项。
• 考虑可观测量$\frac{1}{2}(\tau_{UL} + \tau_{LU})$及其实部对应量$\frac{1}{2}(\tau_{XY} - \tau_{YX})$，分别通过GTMD乘积的实部与虚部探测$F_{1,4}$与$G_{1,1}$。
• 应用GTMD的层次结构论证，由于$F_{1,1}$耦合项占主导，$F_{1,4}$相关项预期远大于$G_{1,1}$相关项，因此$F_{1,4}$在实验上更具可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在核子-核子碰撞中，单 exclusive 双赝标量底夸克偶素产生是否可提供探测胶子GTMDs的途径？
• RQ2 在此过程中，哪些特定GTMDs——$F_{1,4}$或$G_{1,1}$——可通过极化可观测量探测？
• RQ3 能否探测$F_{1,4}$的虚部？其实部是否可通过其他极化可观测量提取？
• RQ4 当双初始态核子均被极化时，对$G_{1,1}$的探测灵敏度是否提升？
• RQ5 不同GTMD之间干涉项如何影响可观测截面不对称性？

主要发现

• 在核子-核子碰撞中，单 exclusive 双底夸克偶素产生为探测胶子GTMDs提供了可行通道，尤其在微扰QCD的Leading-order下，适用于ERBL区域。
• 极化可观测量$\frac{1}{2}(\tau_{UL} + \tau_{LU})$可探测乘积$\vec{\beta}_{\perp} \cdot \vec{k}_{a\perp} \, F_{1,4}(x_a, \vec{k}_{a\perp}) \, F_{1,1}(x_b, \vec{k}_{b\perp})$的虚部，表明可通过此干涉项研究$F_{1,4}$。
• 可观测量$\frac{1}{2}(\tau_{XY} - \tau_{YX})$可实现$F_{1,4}$实部的提取，这正是当前GTMD现象学研究的主要关注点。
• 由于$F_{1,1}$耦合项占主导，$F_{1,4}$贡献预期远大于$G_{1,1}$相关项，因此$F_{1,4}$在实验上更具可探测性。
• 当前仅一个初始态核子被极化的设置不足以分离$G_{1,1}$，但若对两个核子（$N_a$ 与 $N_b$）均实现极化，则可能打开对$G_{1,1}$的探测通道。
• 截面的角依赖性（φ）无法有效区分$F_{1,4}$与$G_{1,1}$贡献，因二者外部依赖形式相同，进一步凸显了使用替代可观测量的必要性。