[论文解读] Production of $c \bar c$ pairs at LHC: $k_t$-factorization and double-parton scattering

Antoni Szczurek|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 1

一句话总结

本文利用 $k_t$-因子化和双部分子散射（DPS）形式体系研究了大型强子对撞机（LHC）上底夸克对 ($c\bar{c}$) 的产生。研究发现，在高能下，双部分子散射对双 $c\bar{c}$ 对产生贡献出乎意料地大——与单部分子散射贡献相当——并提出 $D^0\bar{D}^0$ 或 $\bar{D}^0D^0$ 对产生是识别DPS效应的优选通道，尤其考虑到其横动量分布与ALICE和LHCb实验数据之间存在差异。

ABSTRACT

We discuss charm production at LHC. The production of single $c \bar c$ pairs is calculated in the $k_t$-factorization approach. We use several unintegrated gluon distributions from the literature. Differential distributions for several charmed mesons are presented and compared to recent results of the ALICE and LHCb collaborations. Some missing strength can be observed. Furthermore we discuss production of two $c \bar c$ pairs within a simple formalism of double-parton scattering (DPS). Surprisingly large cross sections, comparable to single-parton scattering (SPS) contribution to $c \bar c$ production, are predicted for LHC energies.

研究动机与目标

• 评估 $k_t$-因子化在描述LHC能量下 $c\bar{c}$ 产生方面的充分性。
• 研究ALICE和LHCb实验中发现的粲介子（D，$D_s$）横动量分布中缺失强度是否可由双部分子散射解释。
• 评估通过DPS产生双 $c\bar{c}$ 对的截面，并与单部分子散射（SPS）贡献进行比较。
• 识别可区分DPS与SPS机制的可观测量相关性模式（例如，快度差、不变质量）。
• 提出 $D^0\bar{D}^0$ 或 $\bar{D}^0D^0$ 对产生为LHC上实验识别DPS效应的清晰通道。

提出的方法

• 使用 $k_t$-因子化结合多种参数化的非积分胶子分布（UGDFs，如KMR、Jung、KMS、Kutak-Stasto）计算单个 $c\bar{c}$ 产生。
• 应用包含 $c$ 和 $\bar{c}$ 横动量与快度的LO四重微分截面公式，通过狄拉克函数强制动量守恒。
• 在DPS形式体系中，截面被分解为 $\frac{1}{\sigma_{\text{eff}}} \frac{d\sigma}{dy_1dy_2d^2p_{1t}} \cdot \frac{d\sigma}{dy_3dy_4d^2p_{2t}}$，其中 $\sigma_{\text{eff}} = 15$ mb。
• 使用Peterson fragmentation函数描述 $c$ 夸克演化为 $D$ 介子的过程。
• 通过LO和高能近似比较DPS与SPS对 $c\bar{c}c\bar{c}$ 产生的贡献。
• 分析来自不同部分子散射的 $c\bar{c}$ 对的关联可观测量，如快度差 ($\Delta y$) 和不变质量 ($M_{c\bar{c}}$)。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用当前UGDFs的 $k_t$-因子化是否能完全描述ALICE和LHCb测量的 $D$ 和 $D_s$ 介子横动量谱？
• RQ2 在LHCb动量范围内观测到的 $D$ 介子 $p_T$ 谱中缺失强度是否可由双部分子散射解释？
• RQ3 与单个 $c\bar{c}$ 产生相比，$c\bar{c}c\bar{c}$ 产生的DPS截面如何随质心系能量变化？
• RQ4 是否存在可用于区分DPS与SPS对双 $c\bar{c}$ 产生贡献的运动学关联性（例如 $\Delta y$ 或 $M_{c\bar{c}}$）？
• RQ5 $D^0\bar{D}^0$ 或 $\bar{D}^0D^0$ 对产生是否是LHC上实验观测DPS效应的可行且灵敏的通道？

主要发现

• 使用多种UGDFs的 $k_t$-因子化方法与ALICE和LHCb测量的 $D$ 介子 $p_T$ 谱吻合良好，但在LHCb动量范围内仍存在持续的强度缺失。
• 双 $c\bar{c}$ 对产生的DPS贡献出乎意料地大，在高能下其截面接近单 $c\bar{c}$ 产生的截面。
• 在 $\sqrt{s} = 7$ TeV时，$c\bar{c}c\bar{c}$ 产生的DPS截面与单 $c\bar{c}$ 产生的SPS截面相当。
• 在快度差 ($\Delta y$) 和 $c\bar{c}$ 对的不变质量 ($M_{c\bar{c}}$) 等关联可观测量中，DPS贡献超过SPS贡献。
• $D^0\bar{D}^0$ 对的横动量分布呈现出高 $p_T$ 区域的长尾，表明DPS贡献增强，而单个 $D^0$ 谱则无此特征。
• 研究结论认为，$D^0\bar{D}^0$ 或 $\bar{D}^0D^0$ 对产生是识别和研究LHC上双部分子散射的最有希望的通道之一。