[论文解读] Heavy Quarkonium Production at Threshold: from JLab to EIC

S. Joosten, Z.-E. Meziani|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 24被引用 3

一句话总结

本论文提出利用杰弗生实验室12 GeV加速器和未来电子-离子对撞机（EIC）上的弹性电致和光致产生$J/\psi$与$\Upsilon$夸克胶子强子态，以探究质子质量与自旋的起源，测量强子之间的胶色范德华力，并研究LHCb五价子的性质。通过结合阈值与高质心能量的运动学，该研究使实验能够通过广义部分子分布（GPDs）探测核子质量分解中夸克与胶子的贡献，其预测结果已通过新型蒙特卡罗生成器LIGEN验证。

ABSTRACT

In this contribution we present opportunities to address questions about the origin of mass and spin, probe the existence and nature of the LHCb pentaquark state, and probe the color Van der Waal forces among two color neutral hadrons. The key reaction is elastic production of heavy quarkonia (J/psi and Upsilon) on the nucleon from threshold to large nucleon-quarkonium invariant masses. This is possible when combining the energy range of two high luminosity facilities, Jefferson Lab 12 GeV and an electron ion collider (EIC).

研究动机与目标

• 通过在阈值与高不变质量下测量弹性$J/\psi$与$\Upsilon$产生，实验探究核子质量与自旋的起源。
• 通过广义部分子分布（GPDs）在EIC上探测胶子对核子自旋与质量的贡献。
• 确定胶子密度的横向空间分布以及核子的胶子半径。
• 通过$\gamma p \to P_c \to J/\psi p$过程中的单态$J/\psi$产生，检验LHCb五价子态的存在与性质。
• 通过$ t $-通道的$J/\psi$与$\Upsilon$产生，测量两个色单态强子之间的胶色范德华力。

提出的方法

• 利用新型蒙特卡罗事件生成器LIGEN，模拟固定靶与对撞机运动学下的$l$-A反应。
• 通过双胶子交换模型拟合世界范围的光致产生数据，对$J/\psi$与$\Upsilon$的$t$-通道截面进行建模。
• 应用$s$-通道螺旋度守恒（SCHC）框架，描述$J/\psi \to e^+e^-$与$\Upsilon \to e^+e^-$、$\mu^+\mu^-$衰变中衰变轻子的角分布。
• 使用类似二极矩的形式因子$D = \left(\frac{M_V^2}{M_V^2 + Q^2}\right)^{n_2}$，参数化电致产生截面的$Q^2$依赖性。
• 采用文献[44]中的形式化方法，精确计算虚光子通量与极化，其中$R = \sigma_L / \sigma_T$采用幂律形式建模。
• 通过LHAPDF将GPDs归一化至CT14胶子部分子分布函数（PDF），以实现与格点QCD计算及实验数据的定量比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 质子质量中有多大比例来自胶子能量与迹异常，而非夸克质量？
• RQ2 夸克的轨道角动量与胶子的总角动量如何贡献于质子自旋？
• RQ3 胶子分布的空间范围如何？其与胶子半径有何关联？
• RQ4 LHCb五价子态是否在阈值附近的$\gamma p \to P_c \to J/\psi p$单态产生过程中显现？
• RQ5 通过$t$-通道的$J/\psi$与$\Upsilon$交换探测，两个色单态强子之间的胶色范德华力的强度与作用范围如何？

主要发现

• $J/\psi$与$\Upsilon$产生的$t$-通道截面可通过拟合现有光致产生数据的双胶子交换模型良好描述。
• LIGEN生成器成功模拟了宽广运动学范围内$J/\psi$与$\Upsilon$的电致与光致产生率，结果具有高度真实性。
• $J/\psi \to e^+e^-$衰变产物的角分布符合$s$-通道螺旋度守恒预测，真实光致产生中$\mathcal{W}(\cos\theta_{\text{CM}}) = \frac{3}{8}(1 + \cos^2\theta_{\text{CM}})$。
• $J/\psi$与$\Upsilon$的电致产生截面的$Q^2$依赖性通过优化后的类似二极矩形式因子$D = \left(\frac{M_V^2}{M_V^2 + Q^2}\right)^{n_2}$建模，该参数化已针对单态$\rho$产生进行调优，并适配至$J/\psi$与$\Upsilon$。
• 通过LHAPDF将GPDs归一化至CT14胶子PDF，使与格点QCD计算的直接比较成为可能，并可提取胶子半径与自旋贡献。
• 本研究为通过EIC上的$\Upsilon$产生测量胶子半径与胶子总角动量提供了路径，对$x$-依赖的横向分布具有敏感性。