[论文解读] Production of $J/ψ+ χ_c$ and $J/ψ+ J/ψ$ with real gluon emission at LHC

A. K. Likhoded, A. V. Luchinsky+1 more|Jun 21, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 11

一句话总结

本文研究了在LHC上通过下一阶修正（NLO*）的胶子真实发射过程产生 $J/\psi + \chi_c$ 和 $J/\psi + J/\psi$ 最终态的情况，表明这些高阶贡献在 $J/\psi + \chi_c$ 通道中占主导地位，尤其因为 $C$-宇称守恒导致了Leading-Order（LO）过程被禁止。真实胶子发射的引入解决了诸如背对背关联等动力学问题，并通过独特的动量分布可区分直接产生、级联衰变和双部分子散射机制。

ABSTRACT

In the present work we study production of $J/ψ+ χ_c$ and $J/ψ+ J/ψ$ in LHC. The first process is forbidden at the leading order in gluon fusion due to the $C$-parity conservation, and the first non-vanishing contribution is given by the process with additional emission of real gluon. Considering the direct production of $J/ψ+ J/ψ$, where the leading order is allowed, we have found that the contribution from the higher order process with real gluon emission is comparable and even more significant than the leading order. Moreover, account of this higher order effect dramatically changes kinematical distributions. Through the present paper we study in details different channels of paired $J/ψ+ J/ψ$ production: direct $J/ψ+ J/ψ$ production, feed-down from $J/ψ+ χ_c$ channel, double parton scattering. We also try to find kinematical distributions that are most suitable to separate these different channels.

研究动机与目标

• 分析真实胶子发射在 $J/\psi + \chi_c$ 产生中的作用，该过程因 $C$-宇称守恒而在Leading-Order下被禁止。
• 评估尽管Leading-Order允许，NLO*（真实胶子发射）在 $J/\psi + J/\psi$ 产生中的重要性。
• 识别可用于区分配对粲偶素产生中直接、级联衰变和双部分子散射（DPS）贡献的动量分布。
• 通过引入真实胶子发射，解决Leading-Order $2\to2$ 过程中强背对背动量分布的问题。
• 通过微分分布的相关性分析，建立区分潜在产生机制的框架。

提出的方法

• 使用部分子级过程 $gg \to J/\psi + \chi_c + g$ 和 $gg \to J/\psi + J/\psi + g$ 来建模包含真实胶子发射的NLO*贡献。
• 应用 $O(\alpha_S^5)$ 计算以评估真实胶子发射在Leading-Order之外的显著性。
• 实施动量截断以正则化由真实胶子发射引起的初态和末态共线奇点。
• 采用皮尔逊相关系数 $\mathcal{P}^v_{ij}$ 来量化不同产生通道（直接、级联衰变、DPS）在各动量变量上的可区分性。
• 使用事件生成器代码（可在Bitbucket上获取）模拟并分析微分截面和动量分布。
• 通过分析色结构和费曼图贡献，比较 $J/\psi + \chi_c$ 与 $J/\psi + J/\psi$ 产生机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Leading-Order过程因 $C$-宇称守恒而被禁止的条件下，NLO*真实胶子发射对 $J/\psi + \chi_c$ 产生的贡献有多大？
• RQ2 真实胶子发射在 $J/\psi + J/\psi$ 产生中的贡献在量级上多大程度上超过Leading-Order截面？
• RQ3 哪些动量分布（如不变质量、横动量、方位角）最能区分直接、级联衰变和双部分子散射贡献？
• RQ4 真实胶子发射如何解决Leading-Order $2\to2$ 过程中背对背动量分布的问题？
• RQ5 $J/\psi + \chi_c$ 与 $J/\psi + J/\psi$ 产生中，真实胶子发射的色结构和费曼图贡献有何不同？

主要发现

• 由于 $C$-宇称抑制和复杂的抵消效应，$J/\psi + \chi_c$ 产生的NLO*截面出人意料地小，约为皮靶（picobarns）量级。
• 在 $\sqrt{s} = 13\,\text{TeV}$ 下，$J/\psi + J/\psi$ 产生的NLO*截面超过Leading-Order截面，达到数纳靶（nanobarns）量级。
• 引入真实胶子发射后，解决了Leading-Order $2\to2$ 过程中不真实的背对背动量分布问题，使得 $p_T$、$\Delta\phi$ 和 $A_T$ 的分布变得非平凡。
• 方位角不对称性 $\Delta\phi$ 在 $J/\psi + J/\psi$ 与DPS之间表现出最高的皮尔逊相关系数（$\mathcal{P}^{\Delta\phi}_{ij} = 0.79$），是关键的区分变量。
• 横动量不对称性 $A_T$ 和快度 $y_{J/\psi}$ 展现出强区分潜力，$J/\psi + J/\psi$ 与 $J/\psi + \chi_c$ 的相关系数为 $\mathcal{P}^{y_{J/\psi}}_{ij} = 0.54$。
• 不变质量分布 $m_{J/\psi + J/\psi}$ 和总横动量 $p_T^{J/\psi + J/\psi}$ 同样表现出可观测的区分能力，$J/\psi + J/\psi$ 与DPS的相关系数为 $\mathcal{P}^{m_{J/\psi + J/\psi}}_{ij} = 0.21$。