D-meson production at large hadron collider in the regge limit of QCD


Cite item

Full Text

Abstract

We study the inclusive production of $D^0$, $D^+$, $D^{\star+}$, and $D_s^+$ mesons in proton-antiproton collisions at the Tevatron and in proton-proton collisions at LHC at leading order in the parton Reggeization approach endowed with universal fragmentation functions fitted to $e^+e^-$ annihilation data from CERN LEP1. We have described $D$-meson transverse momentum distributions measured in the central region of rapidity by the CDF Collaboration at Tevatron ($|y|<1$) and ALICE Collaboration at LHC ($|y|<0.5$) within uncertainties and without free parameters, using Kimber-Martin-Ryskin unintegrated gluon distribution function in a proton. The $2\to1$ hard subprocess of gluon production via a fusion of two Reggeized gluons in the PRA framework is proposed for the first time in the case of $D$-meson fragmentation production and proved to be a dominant one. We found our results for $D$-meson central-rapidity production are in the good agreement with experimental data from the LHC and with large-transverse-momenta Tevatron data. The achieved degree of agreement for the LHC exceeds the one obtained by NLO calculations in the conventional collinear parton model and previous LO calculations in $k_T$-factorization without taking into account the $2\to1$ subprocess. The predictions for the $D$-meson production in the central rapidity region for the expected LHC energy of $\sqrt S=14$ TeV are also presented.

About the authors

Anton V Karpishkov

Samara State University

Email: karpishkov@rambler.ru
Postgraduate Student, Dept. of General & Theoretical Physics 1, Academician Pavlov st., Samara, 443011, Russian Federation

Maxim A Nefedov

Samara State University

Email: nefedovma@gmail.com
Postgraduate Student, Dept. of General & Theoretical Physics 1, Academician Pavlov st., Samara, 443011, Russian Federation

Vladimir A Saleev

Samara State University

Email: saleev@samsu.ru
(Dr. Phys. & Math. Sci.; saleev@samsu.ru; Corresponding Author), Professor, Dept. of General & Theoretical Physics 1, Academician Pavlov st., Samara, 443011, Russian Federation

Alexandra A Shipilova

Samara State University

Email: alexshipilova@samsu.ru
(Cand. Phys. & Math. Sci.; alexshipilova@samsu.ru), Scientific Researcher, Lab. of Mathematical Modeling of Materials, the Samara Center of Theoretical Materials Science, SSU 1, Academician Pavlov st., Samara, 443011, Russian Federation

References

  1. Карпишков А. В., Салеев В. А., Шипилова А. В. Рождение D-мезонов на Большом адронном коллайдере в реджевском пределе КХД / Четвертая международная конференция «Математическая физика и ее приложения»: материалы конф.; ред. чл.корр. РАН И. В. Волович; д.ф.-м.н., проф. В. П. Радченко. Самара: СамГТУ, 2014. С. 191-192.
  2. Collins J. C., Ellis R. K. Heavy-quark production in very high energy hadron collisions // Nucl. Phys. B, 1991. vol. 360, no. 1. pp. 3-30. doi: 10.1016/0550-3213(91)90288-9.
  3. Gribov L. V., Levin E. M., Ryskin M. G. Semihard processes in QCD // Phys. Rep., 1983. vol. 100, no. 1-2. pp. 1-150. doi: 10.1016/0370-1573(83)90022-4.
  4. Catani S., Ciafaloni K. M., Hautmann F. High energy factorization and small-x heavy flavour production // Nucl. Phys. B, 1991. vol. 366, no. 1. pp. 135-188. doi: 10.1016/0550-3213(91)90055-3.
  5. ALICE Collaboration (Abelev B., et al.) Measurement of charm production at central rapidity in proton-proton collisions at s = √7 TeV // JHEP, 2012. vol. 2012, 128, arXiv: 1111.1553 [hep-ex]. doi: 10.1007/JHEP01(2012)128.
  6. ALICE Collaboration(Abelev B., et al.) Ds+ meson production at central rapidity in proton-proton collisions at s = √ 7 TeV // Phys. Lett. B, 2012. vol. 718, no. 2. pp. 279-294, arXiv: 1208.1948 [hep-ex]. doi: 10.1016/j.physletb.2012.10.049.
  7. CDF II Collaboration (Acosta D., et al.) Measurement of Prompt Charm Meson Production Cross Sections in p¯ Collisions at s = √ 1.96 TeV // Phys. Rev. Lett., 2003. vol. 91, no. 24, 241804, arXiv: hep-ex/0307080. doi: 10.1103/PhysRevLett.91.241804.
  8. Kramer G., Spiesberger H. Inclusive Dp∗ production in photon-photon collisions at nextto-leading order QCD // Eur. Phys. J. C, 2001. vol. 22, no. 2. pp. 289-301, arXiv: hepph/0109167. doi: 10.1007/s100520100805.
  9. Kramer G., Spiesberger H. Inclusive D production in γγ collisions: including the singleresolved contribution with massive quarks // Eur. Phys. J. C, 2003. vol. 28, no. 4. pp. 495-513, arXiv: hep-ph/0302081. doi: 10.1140/epjc/s2003-01186-4.
  10. Kramer G., Spiesberger H. Inclusive photoproduction of D∗ mesons with massive charm quarks // Eur. Phys. J. C, 2004. vol. 38, no. 3. pp. 309-318, arXiv: hep-ph/0311062. doi: 10.1140/epjc/s2004-02054-5.
  11. Kniehl B. A., Kramer G., Schienbein I., Spiesberger H. Inclusive D∗± production in p¯p collisions with massive charm quarks // Phys. Rev. D, 2005. vol. 71, no. 1, 014018, arXiv: hep-ph/0410289. doi: 10.1103/physrevd.71.014018.
  12. Kniehl B. A., Kramer G., Schienbein I., Spiesberger H. Collinear subtractions in hadroproduction of heavy quarks // Eur. Phys. J. C, 2005. vol. 41, no. 2. pp. 199-212, arXiv: hep-ph/0502194. doi: 10.1140/epjc/s2005-02200-7.
  13. Cacciari M., Greco M., Nason P. The pT spectrum in heavy-flavour hadroproduction // J. High Energy Phys., 1998. vol. 1998, no. 05, 007, arXiv: hep-ph/9803400. doi: 10.1088/1126-6708/1998/05/007.
  14. Kniehl B. A., Kramer G. Charmed-hadron fragmentation functions from CERN LEP1 revisited // Phys. Rev. D, 2006. vol. 74, no. 3, 037502, arXiv: hep-ph/0607306. doi: 10.1103/physrevd.74.037502.
  15. Kniehl B. A., Kramer G., Schienbein I., Spiesberger H. Reconciling Open-Charm Production at the Fermilab Tevatron with QCD // Phys. Rev. Let., 2006. vol. 96, no. 1, 012001, arXiv: hep-ph/0508129. doi: 10.1103/physrevlett.96.012001.
  16. Kniehl B. A., Kramer G., Schienbein I., Spiesberger H. // Eur. Phys. J. C, 2012. vol. 72, no. 7, 2082, arXiv: 1202.0439 [hep-ph]. doi: 10.1140/epjc/s10052-012-2082-2.
  17. Грибов В. Н., Липатов Л. Н. Глубоко неупругое ep-рассеяние в теории возмущений // Ядерная физика, 1972. Т. 15, № 4. С. 781-807.
  18. Докшицер Ю. Л. Вычисление структурных функций глубоко-неупругого рассеяния и e+ e- -аннигиляции по теории возмущений в квантовой хромодинамике // ЖЭТФ, 1977. Т. 73, № 4. С. 1216-1240.
  19. Altarelli G., Parisi G. Asymptotic freedom in parton language // Nucl. Phys. B, 1977. vol. 126, no. 2. pp. 298-318. doi: 10.1016/0550-3213(77)90384-4.
  20. OPAL Collaboration (Ackerstaff K., et al.) Measurement of f(c → D∗+ X), f(b → D∗+ X) and Γc¯ /Γhad using D∗± mesons // Eur. Phys. J. C, 1998. vol. 1, no. 3. pp. 439-459. doi: 10.1007/s100520050095.
  21. OPAL Collaboration(Alexander G., et al.) A study of charm hadron production in Z 0 → c¯c and Z 0 → b¯b decays at LEPdecays at LEP // Z. Phys. C - Particles and Fields, 1996. vol. 72, no. 1. pp. 1-16. doi: 10.1007/BF02909127.
  22. Cacciari M., and Nason P. Charm cross sections for the Tevatron Run II // JHEP, 2003. vol. 2003, no. 09, 006, arXiv: hep-ph/0306212. doi: 10.1088/1126-6708/2003/09/006.
  23. Cacciari M., Frixione S., Houdeau N., Mangano M. L., Nason P., Ridolfi G. Theoretical predictions for charm and bottom production at the LHC // JHEP, 2012. vol. 2012, no. 10, 137, arXiv: 1205.6344 [hep-ph]. doi: 10.1007/jhep10(2012)137.
  24. Maciula R., Szczurek A. Open charm production at the LHC: kt -factorization approach // Phys. Rev. D, 2013. vol. 87, no. 9, 094022, arXiv: 1301.3033 [hep-ph]. doi: 10.1103/physrevd.87.094022.
  25. Kniehl B. A., Saleev V. A., Shipilova A. V., Yatsenko E. V. Single jet and prompt-photon inclusive production with multi-Regge kinematics: From Tevatron to LHC // Phys. Rev. D, 2011. vol. 84, no. 7, 074017, arXiv: 1107.1462 [hep-ph]. doi: 10.1103/physrevd.84.074017.
  26. Nefedov M. A., Saleev V. A., Shipilova A. V. Dijet azimuthal decorrelations at the LHC in the parton Reggeization approach // Phys. Rev. D, 2013. vol. 87, no. 9, 094030, arXiv: 1304.3549 [hep-ph]. doi: 10.1103/physrevd.87.094030.
  27. Saleev V. A. Deep inelastic scattering and prompt photon production within the framework of the quark Reggeization hypothesis // Phys. Rev. D, 2008. vol. 78, no. 3, 034033, arXiv: 0807.1587 [hep-ph]. doi: 10.1103/physrevd.78.034033.
  28. Saleev V. A. Prompt photon photoproduction at HERA within the framework of the quark Reggeization hypothesis // Phys. Rev. D, 2008. vol. 78, no. 11, 114031, arXiv: 0812.0946 [hepph]. doi: 10.1103/physrevd.78.114031.
  29. Kniehl B. A., Nefedov M. A., Saleev V. A. Prompt-photon plus jet associated photoproduction at HERA in the parton Reggeization approach // Phys. Rev. D, 2014. vol. 89, no. 11, 114016, arXiv: 1404.3513 [hep-ph]. doi: 10.1103/physrevd.89.114016.
  30. Nefedov M. A., Nikolaev N. N., Saleev V. A. Drell-Yan lepton pair production at high energies in the parton Reggeization approach // Phys. Rev. D, 2013. vol. 87, no. 1, 014022, arXiv: 1211.5539 [hep-ph]. doi: 10.1103/physrevd.87.014022.
  31. Kniehl B. A., Saleev V. A., Shipilova A. V. Inclusive b and b¯ production with quasib multi-Regge kinematics at the Tevatron // Phys. Rev. D, 2010. vol. 81, no. 9, 094010, arXiv: 1003.0346 [hep-ph]. doi: 10.1103/physrevd.81.094010.
  32. Saleev V. A., Shipilova A. V. Inclusive b-jet and b¯b-dijet production at the LHC via Reggeized gluons // Phys. Rev. D, 2012. vol. 86, no. 3, arXiv: 1201.4640 [hep-ph]. doi: 10.1103/physrevd.86.034032.
  33. Kniehl B. A., Vasin D. V., Saleev V. A. Charmonium production at high energy in the kT factorization approach // Phys. Rev. D, 2006. vol. 73, no. 7, 074022, arXiv: hep-ph/0602179. doi: 10.1103/physrevd.73.074022.
  34. Kniehl B. A., Saleev V. A., Vasin D. V. Bottomonium production in the Regge limit of QCD // Phys. Rev. D, 2006. vol. 74, no. 1, 014024, arXiv: hep-ph/0607254. doi: 10.1103/physrevd.74.014024.
  35. Saleev V. A., Vasin D. V. Direct J/ψ and ψ hadroproduction via fragmentation in the collinear parton model and kT -factorization approach // Phys. Rev. D, 2003. vol. 68, no. 11, 114013, arXiv: hep-ph/0304114. doi: 10.1103/physrevd.68.114013.
  36. Салеев В. А., Васин Д. В. Адронное рождение прямых J/ψ- и ψ -мезонов в процессах фрагментации глюонов и c-кварков при высоких энергиях // Ядерная физика, 2005. Т. 68, № 1. С. 95-105.
  37. Saleev V. A., Nefedov M. A., Shipilova A. V. Prompt J/ψ production in the Regge limit of QCD: From the Tevatron to the LHC // Phys. Rev. D, 2012. vol. 85, no. 7, 074013, arXiv: 1201.3464 [hep-ph]. doi: 10.1103/physrevd.85.074013.
  38. Nefedov M. A., Saleev V. A., Shipilova A. V. Prompt Υ(nS) production at the LHC in the Regge limit of QCD // Phys. Rev. D, 2013. vol. 88, no. 1, 014003, arXiv: 1305.7310 [hep-ph]. doi: 10.1103/physrevd.88.014003.
  39. Кураев Э. А., Липатов Л. Н., Фадин B. C. Мультиреджевские процессы в теории Янга-Миллса // ЖЭТФ, 1976. Т. 71, № 3. С. 840-855.
  40. Балицкий Я. Я., Липатов Л. Н. Сингулярность Померанчука в квантовой хромодинамике // Ядерная физика, 1978. Т. 28. С. 1597-1611.
  41. Fadin V. S., Kuraev E. A., Lipatov L. N. On the Pomeranchuk singularity in asymptotically free theories // Phys. Lett. B, 1975. vol. 60, no. 1. pp. 50-52. doi: 10.1016/0370-2693(75)90524-9.
  42. Fadin V. S., Fiore R. Calculation of Reggeon vertices in QCD // Phys. Rev. D, 2001. vol. 64, no. 11, 114012, arXiv: hep-ph/0107010. doi: 10.1103/physrevd.64.114012.
  43. Lipatov L. N. Gauge invariant effective action for high energy processes in QCD // Nucl. Phys. B, 1995. vol. 452, no. 1-2. pp. 369-397, arXiv: hep-ph/9502308. doi: 10.1016/0550-3213(95)00390-e.
  44. Lipatov L. N., Vyazovsky M. I. Quasi-multi-Regge processes with a quark exchange in the t-channel // Nucl. Phys. B, 2001. vol. 597, no. 1-3. pp. 399-409, arXiv: hep-ph/0009340. doi: 10.1016/s0550-3213(00)00709-4.
  45. Antonov E. N., Cherednikov I. O., Kuraev E. A., Lipatov L. N. Feynman rules for effective Regge action // Nucl. Phys. B, 2005. vol. 721, no. 1-3. pp. 111-135, arXiv: hep-ph/0411185. doi: 10.1016/j.nuclphysb.2005.05.013.
  46. Kimber M. A., Martin A. D., Ryskin M. G. Unintegrated parton distributions // Phys. Rev. D, 2001. vol. 63, no. 11, 114027, arXiv: hep-ph/0101348. doi: 10.1103/physrevd.63.114027.
  47. Ciafaloni M. Coherence effects in initial jets at small Q2 /s // Nucl. Phys. B, 1988. vol. 296, no. 1. pp. 49-74. doi: 10.1016/0550-3213(88)90380-x.
  48. Catani S., Fiorani F., Marchesini G. QCD coherence in initial state radiation // Phys. Lett. B, 1990. vol. 234, no. 3. pp. 339-345. doi: 10.1016/0370-2693(90)91938-8.
  49. Catani S., Fiorani F., Marchesini G. Small-x behaviour of initial state radiation in perturbative QCD // Nucl. Phys. B, 1990. vol. 336, no. 1. pp. 18-85. doi: 10.1016/0550-3213(90)90342-b.
  50. CDF Collaboration (Abe F., et al.) J/ψ and ψ(2S) Production in p¯p Collisions at s = √ 1.8 TeV // Phys. Rev. Lett., 1997. vol. 79, no. 4, 572. doi: 10.1103/PhysRevLett.79.572.
  51. CDF Collaboration (Abe F., et al.) Production of J/ψ Mesons from χc Meson Decays in p¯p Collisions at s = √ 1.8 TeV // Phys. Rev. Lett., 1997. vol. 79, no. 4, 578. doi: 10.1103/PhysRevLett.79.578.
  52. CDF Collaboration (Affolder T., et al.) Measurement of J/ψ and ψ(2S) Polarization in p¯p Collisions at s = √ 1.8 TeV // Phys. Rev. Lett., 2000. vol. 85, no. 14, 2886. doi: 10.1103/PhysRevLett.85.2886.
  53. CDF Collaboration (Acosta D., et al.) Measurement of the J/ψ meson and b-hadron production cross sections in p¯p collisions at s = √ 1960 GeV // Phys. Rev. D, 2005. vol. 71, no. 3, 032001, arXiv: hep-ex/0412071. doi: 10.1103/PhysRevD.71.032001.
  54. CDF Collaboration (Abe F., et al.) Υ Production in p¯p Collisions at s = √ 1.8 TeV // Phys. Rev. Lett., 1995. vol. 75, no. 24, 4358. doi: 10.1103/PhysRevLett.75.4358.55.
  55. CDF Collaboration (Acosta D., et al.) Υ Production and Polarization in p¯p Collisions at s = √ 1.8 TeV // Phys. Rev. Lett., 2002. vol. 88, no. 16, 161802. doi: 10.1103/PhysRevLett.88.161802.
  56. C0 Collaboration (Abazov V. M., et al.) Measurement of Inclusive Differential Cross Sections for Υ(1S) Production in p¯p Collisions at s = √ 1.96 TeV // Phys. Rev. Lett., 2005. vol. 94, no. 23, 232001, arXiv: hep-ex/0502030. doi: 10.1103/PhysRevLett.94.232001.
  57. ATLAS Collaboration (Aad G., et al.) Measurement of upsilon production in 7 TeV pp collisions at ATLAS // Phys. Rev. D, 2013. vol. 87, 052004, arXiv: 1211.7255 [hep-ex]. doi: 10.1103/PhysRevD.87.052004.
  58. CMS Collaboration (Khachatryan V., et al.) Upsilon production cross section in pp collisions at s = √ 7 TeV // Phys. Rev. D, 2011. vol. 83, 112004. doi: 10.1103/PhysRevD.83.112004.
  59. LHCb Collaboration (Aaij R., et al.) Measurement of Υ production in pp collisions at s = √ 7 TeV // Eur. Phys. J. C, 2012. vol. 72, 2025, arXiv: 1202.6579 [hep-ex]. doi: 10.1140/epjc/s10052-012-2025-y.
  60. Mele B., Nason P. The fragmentation function for heavy quarks in QCD // Nucl. Phys B, 1991. vol. 361, no. 3. pp. 626-644. doi: 10.1016/0550-3213(91)90597-q.
  61. Fadin V. S., Lipatov L. N. Next-to-leading corrections to the BFKL equation from gluon and quark production // Nucl. Phys. B, 1996. vol. 477, no. 3. pp. 767-805, arXiv: hep-ph/9602287. doi: 10.1016/0550-3213(96)00334-3.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2015 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».