[论文解读] Origins of parton correlations in nucleon and multi-parton collisions

B. Blok, Yuri L. Dokshitzer+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2012

High-Energy Particle Collisions Research被引用 12

一句话总结

本文表明，微扰量子色动力学（QCD）在核子内部生成了正的三维部分子-部分子关联，解释了在 Tevatron 能量下多部分子相互作用（MPI）截面相比独立部分子近似观测到的约 2 倍增强。该研究识别出微扰和非微扰机制均为这些关联的来源，其中非微扰机制在低 $x < 10^{-3}$ 时占主导地位，并表明两者的综合效应导致 MPI 率增强约两倍，与实验数据一致。

ABSTRACT

We demonstrate that perturbative QCD leads to positive 3D parton--parton correlations inside nucleon explaining a factor two enhancement of the cross section of multi-parton interactions observed at Tevatron at $x_i\ge 0.01$ as compared to the predictions of the independent parton approximation. We also find that though perturbative correlations decrease with $x$ decreasing, the nonperturbative mechanism kicks in and should generate correlation which, at $x$ below $10^{-3}$, is comparable in magnitude with the perturbative one for $x\sim 0.01$.

研究动机与目标

• 解决长期以来独立部分子近似与 Tevatron MPI 数据之间的矛盾，后者显示截面大了两倍。
• 识别核子中部分子关联的起源，区分微扰与非微扰机制。
• 量化这些关联在高能下（特别是低部分子动量分数 $x$）对多部分子相互作用速率的影响。
• 为将真实部分子关联纳入 LHC 处 $pp$ 碰撞蒙特卡罗事件生成器提供理论框架。

提出的方法

• 引入双部分子广义部分子分布（2 GPD）以描述核子波函数中非微扰双部分子关联。
• 将 2 GPD 分解为两部分：一部分来自非微扰强子波函数中起源的两个部分子（${}_{[2]}D$），另一部分来自单个部分子的微扰分裂（${}_{[1]}D$）。
• 利用 QCD 因子化与 Regge 场论，将软 Pomeron 交换建模为双 Pomeron 图，将 HERA 处的 diffractive 过程与部分子关联联系起来。
• 从 HERA 上矢量介子电产额的弹性与非弹性截面比值中提取关联强度 $\omega = 0.25 \pm 0.05$。
• 利用弹性与非弹性顶点的 $t$-依赖性，计算总 MPI 增强因子 $\eta$，其中 $B_{\text{el}} = 5\div6\,\text{GeV}^2$ 且 $B_{\text{inel}} = 1.4\div1.7\,\text{GeV}^2$，得到 $\eta = 2$（当 $\omega = 0.25$ 时）。
• 在 $Q_0^2 \sim 1\,\text{GeV}^2$ 处实现软与硬 QCD 领域的平滑匹配，验证了在低 $x$ 下使用软 Pomeron 交换的合理性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与独立部分子模型相比，Tevatron 能量下多部分子相互作用截面观测到的两倍增强是由什么引起的？
• RQ2 微扰与非微扰 QCD 机制在不同部分子动量分数 $x$ 下如何贡献于核子中的部分子关联？
• RQ3 从 HERA 二象性数据中提取的关联强度能否可靠外推至 LHC 能量下的 MPI？
• RQ4 部分子关联对 $pp$ 碰撞中总 $4\to4$ MPI 截面的定量影响是什么？
• RQ5 蒙特卡罗事件生成器如何改进以纳入真实部分子-部分子关联与横向空间分布？

主要发现

• 微扰 QCD 在核子内部生成了正的三维部分子-部分子关联，这解释了在 $x \geq 0.01$ 时观测到的 MPI 截面约 2 倍增强。
• 增强因子 $\eta = 2$ 来自微扰与非微扰关联的综合效应，其中 $\omega = 0.25$ 且 $B_{\text{el}}/B_{\text{inel}}$ 比值来自 HERA 数据。
• 在低 $x < 10^{-3}$ 时，非微扰关联占主导地位，而微扰关联在此区域减弱，且在 $x \sim 0.01$ 时其量级与微扰关联相当。
• 从 HERA 上矢量介子产生数据中提取的比值 $\omega = 0.25 \pm 0.05$ 定量描述了纵向部分子关联的强度。
• 双 Pomeron 交换图中非弹性顶点的 $t$-依赖性与斜率 $B_{\text{inel}} \approx 1.4\div1.7\,\text{GeV}^2$ 一致，支持软与硬 QCD 领域之间的平滑过渡。
• 该模型预测，即使在 $x < 10^{-3}$ 时（此时非微扰机制占主导），MPI 增强效应依然存在，确保观测到的截面增强保持显著。