[论文解读] Ultra-peripheral nuclear collisions as a source of heavy quarkonia

B. Z. Kopeliovich, M. Krelina+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2020

High-Energy Particle Collisions Research被引用 8

一句话总结

本文提出了一种改进的QCD二极子模型，用于描述重夸克偶素在极端外围核碰撞（UPC）中的产生过程，通过求解薛定谔方程并引入真实的夸克偶素波函数及洛伦兹提升，同时利用格林函数形式体系考虑有限相干长度效应与胶子阴影效应。该模型与LHC在相干$J/\!\psi$和$\Upsilon$产生方面的实验数据符合良好，为未来电子-离子对撞机实验提供了改进的预测结果。

ABSTRACT

Heavy quarkonium production in ultra-peripheral nuclear collisions (UPC) is described within the QCD dipole formalism. Realistic quarkonium wave functions in the $Q\bar Q$ rest frame are calculated by solving the Schrödinger equation with a subsequent Lorentz boost to high energy. We rely on several realistic $Q\bar Q$ potentials, which allow to describe well the quarkonium masses and decay widths, as well as data on diffractive electroproduction of quarkonia on protons. Nuclear effects are calculated with the phenomenological dipole cross sections fitted to DIS data. The higher twist quark shadowing related to the lowest $Q\bar Q$ Fock component of the photon, as well as the leading twist gluon shadowing, related to higher components containing gluons, are included. The results for coherent and incoherent photoproduction of charmonia and bottomonia in UPC of heavy nuclei are in good accord with available data from the LHC. They can also be verified in future experiments at electron-ion colliders.

研究动机与目标

• 通过引入真实的夸克偶素波函数，改进重夸克偶素在极端外围核碰撞（UPC）中产生过程的理论描述。
• 在前向/后向快度区域，超越eikonal近似，考虑有限相干长度效应的影响。
• 利用格林函数形式体系，纳入来自光子高阶Fock态（$|Q\bar{Q}G\rangle$）的胶子阴影效应。
• 量化理论不确定性来源，包括波函数模型与二极子截面参数化对粲偶素与底偶素产生过程的影响。
• 为RHIC与LHC中UPC的相干与非相干夸克偶素产生提供可预测的截面，未来可在电子-离子对撞机中进行检验。

提出的方法

• 通过求解包含真实$Q\bar{Q}$势的薛定谔方程，获得在$Q\bar{Q}$静止参考系中的夸克偶素波函数。
• 应用Terent’ev方法将波函数提升至轻-front参考系，保持计算精度。
• 采用Melosh自旋旋转方法，将旋量从静止参考系转换至轻-front参考系，实现正确的自旋因子分解。
• 利用路径积分技术与格林函数形式体系，严格处理有限相干长度效应，尤其在$l_c \ll R_A$条件下。
• 包含来自$|Q\bar{Q}\rangle$ Fock态的高阶扭曲夸克阴影效应，以及来自$|Q\bar{Q}G\rangle$组分的主导扭曲胶子阴影效应。
• 测试多种现象学二极子截面（KST、GBW、BGBK），以估计预测中的理论不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在前向与后向快度区域，有限相干长度效应如何改变夸克偶素在UPC中的快度分布？
• RQ2 来自光子高阶Fock态的胶子阴影效应对夸克偶素产生截面有何影响？
• RQ3 不同的$Q\bar{Q}$势与二极子截面参数化如何影响$J/\!\psi$与$\Upsilon$在UPC中产生过程的理论预测？
• RQ4 有限相干长度修正在多大程度上使核介质中的标准eikonal近似失效？
• RQ5 该模型能否以更高精度重现LHC在UPC中相干$J/\!\psi$与$\Upsilon$光致产生过程的实验数据？

主要发现

• 该模型在中等快度区域对LHC中相干$J/\!\psi(1S)$与$\psi^\prime(2S)$光致产生的数据实现了良好符合。
• 当$l_c \ll R_A$时，有限相干长度修正显著改变快度分布，尤其在前向/后向快度区域，导致eikonal近似失效。
• 来自$|Q\bar{Q}G\rangle$ Fock态的胶子阴影效应主导了核屏蔽效应，由于传播过程中的尺寸涨落，必须采用格林函数形式体系处理。
• 粲偶素产生中的理论不确定性主要源于波函数模型的选择，而底偶素中的不确定性则主要来自二极子截面参数化的差异。
• 该模型在高快度区域预测出与eikonal计算明显偏离的效应，为未来电子-离子对撞机实验提供了可检验的信号。
• 引入真实波函数与自旋旋转显著提高了截面预测的准确性，相较于高估$D$-波分量的模型具有更优表现。