Probing the gluon Transverse Momentum-Dependent distributions inside the proton through quarkonium-pair production at the LHC

Studie naar gluonen

Transversaal-momentum-afhankelijke factorisatie wordt gebruikt om hadronische botsingen te beschrijven waarbij rekening wordt gehouden met het intrinsieke transversale momentum van de partonen in de hadronen. Hiervoor zijn Transversaal-Momentum-afhankelijke Parton Distributie Functies (in het Engels afgekort tot TMDPDFs of simpelweg TMDs) nodig die uit experimentele data gehaald moeten worden. Over TMDs van gluonen is vooral nog weinig bekend.

Florent Scarpa gebruikte quarkonium paarproductie om de twee gluon TMDs te onderzoeken die toegankelijk zijn via botsingen van ongepolariseerde protonen in de Large Hadron Collider (LHC). Quarkonia zijn gebonden toestanden van een quark-antiquark paar met een zware smaak. J/psi mesonen, bestaande uit een charm-anticharm paar, worden in grote hoeveelheden gemaakt in de LHC. J/psi paren ontstaan voornamelijk door gluonfusie, een belangrijk proces om gluon TMDs te onderzoeken.

Scarpa gebruikt eerst een simpel model van Gaussian-based TMDs om observabelen in J/psi paarproductie te berekenen die gevoelig zijn voor de TMDs. Dit zijn het transversaal-momentum spectrum van het paar en azimuthale asymmetrieën. We zien dat J/psi paarproductie een ideaal proces is om de lineair gepolariseerde gluon TMDs te onderzoeken via azimuthale asymmetrieën. Ook gebruiken we de LHCb data van het transversale momentum van het J/psi paar om het gemiddelde transversale momentum van het gluon te fitten.

Daarna verbeterde Scarpa zijn voorspelling door TMD evolutie in de berekening mee te nemen. Sommige bijdragen aan de gluon TMDs kunnen namelijk perturbatief worden berekend om de fit procedure te verbeteren. We zien dat de asymmetrieën onderdrukt zijn, maar dat ze groot genoeg blijven om in de LHC te kunnen worden waargenomen. We geven ook voorspellingen voor Upsilon paarproductie.

Tenslotte bespreken hij de heliciteit-structuur van de quarkonium paarproductie amplitude die verklaart hoe deze sommige azimuthale asymmetrieën maximaliseert. Daarnaast laat Scarpa zien dat een amplitude van nul voor longitudinaal gepolariseerde paren, zoals voorspeld op eerste orde in het collineaire regime, ook voor tussenliggende massa's gedetecteerd kan worden, omdat harde gluon emissies onderdrukt zijn in het TMD regime.

Florent Scarpa verrichtte zijn promotieonderzoek bij de afdeling Hoge-energiefysica van het Van Swinderen Institute, met financiering van het Franse CNRS en de RUG.

Proefschrift: http://hdl.handle.net/11370/4320ed98-199d-4810-b7ae-ceb127b07959