Probing the gluon Transverse Momentum-Dependent distributions inside the proton through quarkonium-pair production at the LHC
Creators
- Scarpa, Florent
- Universite Paris-Saclay, Ecole doctorale no. 576, Particules, Hadrons, energie et Noyau, Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulation - Pheniics, Espace Technologique, Immeuble Discovery, Route de l'Orme aux Merisiers RD 128, 91190 Saint-Aubin (France)
- Faculte des sciences d'Orsay, CNRS, IJCLab, 91405 Orsay (France)
- Universite de Groningen (Netherlands)
Description
Transverse momentum-dependent factorisation is used to describe hadronic collisions while taking into account the intrinsic transverse momentum of partons inside hadrons. This requires the use of Transverse Momentum-Dependent Parton Distribution Functions (TMDPDFs or simply TMDs) in order to parameterize the parton correlator. Such distributions need to be extracted from experimental data. Quark TMDs are relatively well known thanks to processes such as semi-inclusive deep inelastic scattering (SIDIS) and Drell-Yan for which numerous data exist. Gluon TMDs remain poorly known, since there is no ideal process to probe them in the operating colliders. The future Electron-Ion Collider (EIC) will offer a much better access to them, but its first run remains at least 10 years from now. It is also important to study TMDs in various kinds of processes in order to check their universality which is not as trivial as that of collinear PDFs. We propose to use quarkonium-pair production to study the two leading-twist gluon TMDs accessible through unpolarized proton collisions at the Large Hadron Collider (LHC). Quarkonia are mesons, i.e. bound states of a quark-antiquark pair. In the case of a quarkonium, the pair is made of heavy flavours: charmonium combines a charm with an anti charm, while bottomonium combines a bottom with an anti-bottom. J/ψ mesons are the lowest lying vector state of charmonium and are produced in large amounts at the LHC. J/ψ pairs originate from gluon fusion in vast majority, which is important in order to focus on gluon TMDs. Studying two-particle final states also allows one to tune the hard scale of the process commensurate to the pair mass, which in turn allows one to study TMD evolution. We first use a model of Gaussian-based TMDs to compute observables in J/ψ-pair production that are sensitive to the TMDs. These observables are the transverse-momentum spectrum of the pair, mostly sensitive to the unpolarized gluon TMD, and azimuthal asymmetries, whose existence requires the linearly-polarised gluon TMD. We see that J/ψ pair production is an ideal process to probe the linearly-polarised gluon distribution through one azimuthal asymmetry that is maximal at large hard scales. We also use the LHCb data on the J/ψ pair transverse momentum to fit the average gluon transverse momentum using our Gaussian-based model. The large value that is obtained is interpreted as a consequence of TMD evolution that perturbatively enhances the intrinsic transverse momentum of the gluon at such large hard scales. We then improve our predictions by including TMD evolution in the formalism used to describe the gluon TMDs in our calculations. In this picture, the unpolarized gluon distribution is a leading contribution in an expansion of the strong coupling, while the linearly-polarised distribution is sub-leading. The remaining non-perturbative component is modelled using a Gaussian. We observe that the computed magnitude of the azimuthal asymmetries in J/ψ-pair production are lower than when using the purely Gaussian model. However, we observe that these asymmetries remain sizeable and could be detected at the LHC. We also provide predictions for Υ-pair production (the Υ is the bottomonium equivalent of the J/ψ). We finally study the helicity structure of the quarkonium-pair production amplitude. It can be written as a sum of sub-amplitudes corresponding to various helicity states of the initial-state gluons and final-state quarkonia. In the high-mass limit of the pair, the amplitudes greatly simplify and explain how the hard-scattering coefficients of J/ψ-pair production maximise the size of one azimuthal asymmetry, as previously observed. Moreover, it is shown that the amplitude zero for longitudinally polarised pairs predicted at leading order in the collinear regime exists as well in TMD factorisation. It should survive for intermediate masses as hard gluon emissions are suppressed in the TMD regime. (author)
Abstract (French)
La factorisation dependante de l'impulsion transverse est utilisee pour decrire les collisions hadroniques en incluant l'impulsion transverse intrinseque des partons a l'interieur des hadrons. Cela requiert l'usage de distributions dependantes de l'impulsion transverse (Transverse Momentum-Dependent distributions en anglais ou TMDs). De telles distributions doivent etre extraites de donn ees experimentales. Les TMDs de quarks sont relativement connues grace a des processus pour lesquels de nombreuses donnees sont disponibles. Les TMDs de gluons restent peu connues car il n'existe pas de processus ideal pour les etudier dans les accelerateurs en fonctionnement. Le futur Electron-Ion Collider (EIC) permettra leur etude de facon beaucoup plus complete, mais sa mise en fonctionnement n'est pas prevue avant au moins 10 ans. De plus, il est important d'etudier les TMDs a l'aide de divers processus afin de tester leur universalite qui n'est pas aussi triviale que celle des distributions colineaires. Nous proposons d'utiliser la production de paire de quarkonia pour etudier les deux TMDs de gluon accessibles dans les collisions de protons non polarises au LHC. Les quarkonia sont des mesons, c'est-a-dire des etats lies de paires quark-antiquark. Dans le cas d'un quarkonium, la paire est faite de quarks de la meme saveur lourde: les charmonia combinent un charm et un anticharm, tandis que les bottomonia combinent un bottom et un antibottom. Les mesons J/ψ sont des charmonia de spin 1 et sont produits en grandes quantites au LHC. Les paires de J/ψ sont en grande majorite produites via des fusions de gluons, ce qui est important pour l'etude specifique des TMDs de gluons. L'etude d'etats finaux a deux particules permet egalement de selectionner diverses valeurs de l'echelle dure du processus, qui dans ce cas est de l'ordre de la masse de la paire, ce qui permet de plus d'etudier l'evolution des TMDs. Nous utilisons d'abord un modele simple de TMDs gaussiennes pour calculer des observables de la production de paires de J/ψ qui sont sensibles au TMDs. Ces observables sont le spectre de l'impulsion transverse de la paire, principalement sensible a la TMD de gluon non polarises, et les asymetries azimutales, dont l'existence requiert la TMD de gluons lineairement polarises. Nous utilisons egalement les donnees LHCb sur la production de paires de J/ψ pour extraire l'impulsion transverse moyenne des gluons dans notre modele gaussien. L'importante valeur obtenue est interpretee comme une consequence de l'evolution des TMDs qui augmente l'impulsion transverse intrinseque du gluon via des contributions perturbatives presentes aux grandes echelles dures. Nous ameliorons par la suite nos predictions en incluant l'evolution des TMDs dans le formalisme utilise pour decrire les TMDs de gluons dans nos calculs. Dans ce modele, la distribution des gluons non polarises est une contribution dominante, tandis que la distribution de gluons lineairement polarises est sous-dominante. La composante non-perturbative restante est modelisee a l'aide d'une gaussienne. Nous observons que la magnitude des asymetries calculees pour la production de paires de J/ψ est plus petite que celle calculee a l'aide du modele purement gaussien. Cependant, nous observons egalement que ces asymetries restent de taille raisonnable et pourraient etre detectees au LHC. Nous fournissons egalement des predictions pour la production de paires de Υ (le Υ est l'equivalent bottomonium du J/ψ). Enfin, nous etudions la structure en termes d'helicite de l'amplitude de production de paires de quarkonia. En effet, elle peut etre decomposee en une somme de sous-amplitudes correspondant a divers etats d'helicites des gluons incidents et des quarkonia produits. Dans la limite de grande masse de la paire, ces amplitudes se simplifient grandement et expliquent comment la production de paires de J/ψ optimise l'amplitude d'une asymetrie. (auteur)
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Additional details
Additional titles
- Original title (English)
- Etude des distributions dependantes de l'impulsion transverse des gluons a l'interieur du proton a l'aide de la production de paires de quarkonia au LHC
Publishing Information
- ISBN
- 978-94-034-2789-8; 978-94-034-2790-4
- Imprint Pagination
- 157 p.
- Report number
- FRNC-TH--11329
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 52006903
- Subject category
- S72: PHYSICS OF ELEMENTARY PARTICLES AND FIELDS;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- DATA ANALYSIS; GLUONS; HYDROGEN IONS 1 PLUS; ION-ION COLLISIONS; PAIR PRODUCTION; PROTONS; QUARKONIUM; TRANSVERSE MOMENTUM
- Descriptors DEC
- BARYONS; BOSONS; CATIONS; CHARGED PARTICLES; COLLISIONS; DATA PROCESSING; ELEMENTARY PARTICLES; FERMIONS; HADRONS; HYDROGEN IONS; INTERACTIONS; ION COLLISIONS; IONS; LINEAR MOMENTUM; NUCLEONS; PARTICLE PRODUCTION; PROCESSING
Optional Information
- Notes
- 145 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses