[论文解读] On relevance of triple gluon fusion in $J/ψ$ hadroproduction

Leszek Motyka, Mariusz Sadzikowski|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

该论文在 $k_T$-因子化框架下研究了 $J/\psi$ 强子产生中三胶子融合作为非主导层析机制的作用，表明在小 $x$ 区域双胶子密度增强显著提升了截面。研究发现，该机制在 Tevatron 和 LHC 能量下对主导层析预测提供了显著修正，尤其在中等 $p_T$ 区域；并提出 $pA$ 碰撞可作为探测该效应的手段。

ABSTRACT

A contribution to $J/ψ$ hadroproduction is analyzed in which the meson production is mediated by three-gluon partonic state, with two gluons coming from the target and one gluon from the projectile. This mechanism involves double gluon density in one of the protons, hence this contribution enters at a non-leading twist. It is, however, relevant due to an enhancement factor coming from large double gluon density at small~$x$. We calculate the three-gluon contribution to $J/ψ$ hadroproduction within perturbative QCD in the $k_T$-factorization framework. Results are obtained for differential $p_T$-dependent cross-sections for all $J/ψ$ polarizations and for the sum over the polarization components. The rescattering contribution is found to provide a significant correction to the standard leading twist cross-section at the energies of the Tevatron or the LHC at moderate $p_T$. We suggest $J/ψ$ production in proton-nucleus collision as a possible probe of the triple gluon mechanism.

研究动机与目标

• 评估两胶子来自一个质子、另一胶子来自另一质子的三胶子融合机制在高能 $J/\psi$ 强子产生中的相关性。
• 研究在小 $x$ 区域由于双胶子密度较大而增强的非主导层析机制是否对 $J/\psi$ 截面有显著贡献。
• 评估该机制对 $J/\psi$ 微分 $p_T$-依赖截面及其极化态的影响。
• 提出质子-核碰撞作为观测三胶子融合效应的潜在实验探测手段。
• 在 $k_T$-因子化框架下，将三胶子贡献与标准主导层析模型和胶色八重态模型的预测进行比较。

提出的方法

• 在 $k_T$-因子化框架内，利用微扰量子色动力学计算三胶子融合贡献，引入非积分部分子密度。
• 通过涉及四部分子的相互作用因子和横动量依赖的胶子分布，推导 $pp \to J/\psi + X$ 的微分截面。
• 使用 CCFMA0 非积分胶子密度模型来描述小 $x$ 区域双胶子密度的增强。
• 评估所有 $J/\psi$ 极化态及其总和（包括横向和纵向分量）的截面。
• 对四部分子振幅进行色序分解，得到三种色结构，仅保留主导项以简化计算。
• 通过将推导出的截面在共线极限下与标准主导层析结果匹配，确定归一化常数。

实验结果

研究问题

• RQ1 三胶子融合在 Tevatron 和 LHC 能量下对 $J/\psi$ 强子产生的贡献程度如何？
• RQ2 尽管三胶子融合属于非主导层析，为何小 $x$ 区域的双胶子密度增强能显著提升其振幅？
• RQ3 与主导层析和胶色八重态模型预测相比，三胶子融合贡献的 $p_T$-依赖性如何？
• RQ4 质子-核碰撞中的 $J/\psi$ 产生能否作为三胶子融合机制的清晰探测手段？
• RQ5 三胶子融合产生的 $J/\psi$ 极化特性与实验数据及其他理论模型相比如何？

主要发现

• 三胶子融合机制在中等 $p_T$ 区域显著修正了标准主导层析截面，对 $J/\psi$ 强子产生具有重要贡献。
• 该贡献受小 $x$ 区域双胶子密度增强的因子影响，从而补偿了其非主导层析的性质。
• 在 $k_T$-因子化框架下计算了 $pp \to J/\psi + X$ 的微分截面，其非平凡的 $p_T$-依赖性与实验趋势一致。
• 振幅中的主导色结构为 $t$-通道交换，具有 $\delta^{a_1a_2}\delta^{a_3a_4}$ 色结构，其余项因 $1/N_c^2$ 或相空间效应而被抑制。
• 通过将共线极限与标准部分子截面匹配，确定了归一化常数 $\mathcal{N}$，确保与已知 QCD 结果的一致性。
• 研究表明，由于核子中胶子密度增强，$pA$ 碰撞为隔离和检验三胶子融合机制提供了有希望的环境。