[论文解读] Parton distribution functions probed in ultraperipheral collisions at the CERN Large Hadron Collider

J. Thomas, C. A. Bertulani+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2016

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 4被引用 3

一句话总结

本文研究了LHC中在√sNN = 2.76 TeV和5 TeV的重离子Pb+Pb超外围碰撞中矢量介子（J/ψ、ψ(2S)和Υ）的产生，以探测小x和中等Q²下的部分子分布函数（PDFs）。通过结合多种PDF集合（包括EPS09、CT14、nCTEQ15和nDS）以及介质修正的理论模型，该研究预测了快度分布和截面，显示出对胶子遮蔽效应和介质修正的强烈敏感性，不同PDF集合之间的截面差异可达10倍之多。

ABSTRACT

Vector meson production in ultra-peripheral pA and AA collisions at the CERN Large Hadron Collider (LHC) are very sensitive to Parton Distribution Functions (PDF) as well as to their leading-order, next-to-leading-order, and medium corrections. This process is a complimentary tool to explore the effects of different PDFs in particle production in proton-nucleus and nucleus-nucleus central collisions. Existing and forthcoming data available, e.g., from ALICE and CMS, may be used in conjunction with our theoretical predictions to constrain the PDFs. We make predictions for rapidity distributions and for cross sections of J/$ψ$ , $ψ(2S)$ and $Υ$ production at $\sqrt{s_{NN}}=2.76$ TeV and $\sqrt{s_{NN}}=5$ TeV. We use the second energy as representative for the Run 2 of PbPb collisions at the LHC.

研究动机与目标

• 测试在小动量分数x下，超外围碰撞（UPCs）中矢量介子产生对不同部分子分布函数（PDFs）的敏感性。
• 评估介质修正（如遮蔽和反遮蔽）对光致产生截面和快度分布的影响。
• 为LHC运行2期间代表性的√sNN = 2.76 TeV和5 TeV条件下的J/ψ、ψ(2S)和Υ(1S)产生提供理论预测。
• 评估UPC数据在约束PDF不确定性（特别是低x区域的胶子分布）方面的区分能力。
• 强调UPC数据与中心碰撞测量在探测QCD动力学和核PDF方面的互补性。

提出的方法

• 采用领先阶近似描述UPC中纯弹性光致产生过程，其中一个核的准实光子与另一个核中的部分子相互作用。
• 使用颜色蒸发模型和广义部分子分布（GPD）框架，通过光子-胶子融合机制描述矢量介子的产生。
• 应用多种PDF集合：EPS09、CT14、nCTEQ15、nDS和CJ12，同时考虑与不考虑介质修正（如HKN07、nDS、EPS09）。
• 利用公式 dσ/dy ∝ ∫ dx G(x, Q²) × dσ_γg/dy 计算总截面和快度分布，其中Q²依赖于介子质量。
• 在光致产生振幅中引入一个修正因子ζ_V，以考虑矢量介子波函数效应。
• 在不同PDF集合之间比较结果，以量化低x区域胶子遮蔽和介质修正的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同PDF集合（如EPS09、CT14、nCTEQ15）如何影响UPC中J/ψ、ψ(2S)和Υ产生的预测截面和快度分布？
• RQ2 在低x区域，预测结果对胶子遮蔽和反遮蔽等介质修正的敏感程度如何？
• RQ3 考虑到更大的质量与更小的相空间，Υ(1S)的截面和快度分布与J/ψ和ψ(2S)相比有何不同？
• RQ4 在√sNN = 5 TeV（运行2）的UPC数据是否有助于区分具有不同遮蔽行为的PDF集合？
• RQ5 最终态相互作用和分辨光子贡献在数据与模型之间观测到的差异中起什么作用？

主要发现

• 包含介质修正的EPS09 PDF集合与ALICE和CMS的现有J/ψ数据具有最佳一致性，支持其在遮蔽效应研究中的使用。
• 由于介子质量更大且相空间减小，Υ(1S)产生的总截面相比J/ψ减少了超过1000倍。
• Υ(1S)的快度分布明显比J/ψ更窄，反映出光致产生过程中Q²依赖性更强。
• 在√sNN = 5 TeV时，不同PDF集合（如CJ12与CT14）之间的截面差异可达10倍，凸显对胶子PDF的强烈敏感性。
• 遮蔽效应在中间快度区域占主导，而反遮蔽在前向/后向快度区域影响可忽略。
• 在√sNN = 5 TeV时，Υ(1S)截面的理论预测范围为11 μb（CJ12 + HKN07）至189 μb（CT14 + HKN07），表明PDF不确定性极大。