[论文解读] First simultaneous global QCD analysis of dihadron fragmentation functions and transversity parton distribution functions

C. Cocuzza, Andreas Metz+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本论文首次对二粒子碎片函数（DiFFs）和核子横自旋部分子分布函数（PDFs）进行了同步全球QCD分析，利用了e⁺e⁻湮灭（Belle）、半包容深度非弹性散射以及质子-质子碰撞（STAR）的数据。该研究提出了DiFFs的新数量密度解释，提取了π⁺π⁻ DiFFs以及上/下夸克和反夸克的横自旋分布，并在多个可观测量（包括格点QCD张量电荷和单粒子碎片化数据）中发现一致性，表明对横自旋和二粒子碎片化的描述具有普遍性。

ABSTRACT

We perform a comprehensive study within quantum chromodynamics (QCD) of dihadron observables in electron-positron annihilation, semi-inclusive deep-inelastic scattering, and proton-proton collisions, including recent cross section data from Belle and azimuthal asymmetries from STAR. We extract simultaneously for the first time $π^+π^-$ dihadron fragmentation functions (DiFFs) and the nucleon transversity distributions for up and down quarks as well as antiquarks. For the transversity distributions we impose their small-$x$ asymptotic behavior and the Soffer bound. In addition, we utilize a new definition of DiFFs that has a number density interpretation to then calculate expectation values for the dihadron invariant mass and momentum fraction. Furthermore, we investigate the compatibility of our transversity results with those from single-hadron fragmentation (from a transverse momentum dependent/collinear twist-3 framework) and the nucleon tensor charges computed in lattice QCD. We find a universal nature to all of this available information. Future measurements of dihadron production can significantly further this research, especially, as we show, those that are sensitive to the region of large parton momentum fractions.

研究动机与目标

• 执行首次同步全球QCD分析，同时提取二粒子碎片函数（DiFFs）和核子横自旋部分子分布函数（PDFs）。
• 将Belle和STAR实验的最新截面和方位角不对称性数据纳入统一的QCD框架。
• 应用DiFFs的新数量密度解释，以实现对二粒子不变质量与动量分数期望值的物理上有意义的计算。
• 检验提取的横自旋分布与单粒子碎片化（TMD与扭曲-3框架）结果以及格点QCD张量电荷的一致性。
• 评估横自旋和DiFFs在多种实验可观测量与理论框架之间的普遍性。

提出的方法

• 采用领先扭曲的共线因子化方法，对e⁺e⁻湮灭、半包容深度非弹性散射以及pp碰撞中的二粒子可观测量进行同步全球拟合。
• 使用一种保留数量密度解释的新DiFFs定义，使二粒子不变质量$M_h$与动量分数$z$的物理期望值得以计算。
• 对横自旋PDF施加约束：小-$x$渐近行为与Soffer不等式，确保理论一致性。
• 提取$ar{u}$、$ar{d}$、$u$与$d$的横自旋分布，以及$ar{u}$、$ar{d}$、$u$、$d$、$s$、$c$、$b$的DiFFs（针对$ar{ ho}^0$-类$ ho^0$-类强子态）。
• 利用PYTHIA在多个质心系能量（$ oot s o$ 10.58–91.19 GeV）下生成的数据，估算DiFF提取中的系统误差。
• 将结果与格点QCD张量电荷及单粒子碎片化数据进行比较，以检验不同框架间的一致性与普遍性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用来自e⁺e⁻、SIDIS和pp碰撞的多样化实验数据，实现DiFFs与横自旋PDFs的同步全球QCD分析？
• RQ2 DiFFs的新数量密度解释如何影响对二粒子动量分数与不变质量的物理解释和计算？
• RQ3 提取的横自旋分布是否与单粒子TMD和扭曲-3碎片化框架中的结果一致？
• RQ4 提取的DiFFs与横自旋PDFs在多大程度上与格点QCD张量电荷计算结果一致？
• RQ5 横自旋与DiFFs在不同可观测量与理论框架之间是否具有普遍性？

主要发现

• 首次通过Belle、STAR及其他数据的全局拟合，实现了对$ar{u}$、$ar{d}$、$u$与$d$横自旋PDFs，以及$ar{u}$、$ar{d}$、$u$、$d$、$s$、$c$、$b$的$ ho^0$-类$ar{ ho}^0$-类强子态DiFFs的同步提取。
• 新的DiFF定义允许具有物理意义的数量密度解释，从而可计算二粒子不变质量$M_h$与动量分数$z$的期望值。
• 提取的横自旋分布符合Soffer不等式，并展现出正确的$ x $趋近于零时的渐近行为。
• 横自旋结果与TMD与扭曲-3框架中单粒子碎片化分析的结果高度一致。
• 提取的横自旋分布与格点QCD张量电荷结果相容，支持横自旋在不同探测手段下具有普遍描述。
• 未来在大夸克动量分数区域的二粒子测量，有望显著改善对DiFFs与横自旋的约束。