Search

Prospects for quarkonium-production studies accessible during the upcoming high-luminosity phases of the CERN Large Hadron Collider operation after 2021 are reviewed. Current experimental and theoretical open issues in the field are assessed together with the potential for future studies in quarkonium-related physics. This will be possible through the exploitation of the huge data samples to be collected in proton-proton, proton-nucleus and nucleus-nucleus collisions, both in the collider and fixed-target modes. Such investigations include, among others, those of: (i) J/psi and Upsilon produced in association with other hard particles; (ii) chi(c,b) and eta(c,b) down to small transverse momenta; (iii) the constraints brought in by quarkonia on gluon PDFs, nuclear PDFs, TMDs, GPDs and GTMDs, as well as on the low-x parton dynamics; (iv) the gluon Sivers effect in polarised-nucleon collisions; (v) the properties of the quark-gluon plasma produced in ultra-relativistic heavy-ion collisions and of collective partonic effects in general; and (vi) double and triple parton scatterings., Comment: Latex, 115 pages, 55 figures, 4 tables. v2: Review published in Progress in Particle and Nuclear Physics

$J/\psi$- or $\Upsilon$-pair production at the LHC are promising processes to study the gluon transverse momentum distributions (TMDs) which remain very poorly known. In this article, we improve on previous results by including the TMD evolution in the computation of the observables such as the pair-transverse-momentum spectrum and asymmetries arising from the linear polarization of gluons inside unpolarized protons. We show that the azimuthal asymmetries generated by the gluon polarization are reduced compared to the tree level case but are still of measurable size (in the 5%-10% range). Such asymmetries should be measurable in the available data sets of $J/\psi$ pairs and in the future data sets of the high-luminosity LHC for $\Upsilon$ pairs., Comment: 16 pages, 6 figures

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 donnees experimentales. Les TMDs de quarks sont relativement connues grâce 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/psi sont des charmonia de spin 1 et sont produits en grandes quantites au LHC. Les paires de J/psi 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/psi 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/psi 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/psi 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 Upsilon (le Upsilon est l’equivalent bottomonium du J/psi).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/psi optimise l’amplitude d’une asymetrie.

We report on how $J/\psi$- and $\Upsilon$-pair production are promising processes to access the polarised and unpolarised gluon TMDs at the LHC. We present the formalism used, as well as resulting observables that could be extracted from data., Comment: 5 pages

We briefly review how quarkonium hadroproduction can be used to access the polarised and unpolarised gluon TMDs., Comment: 6 pages, 4 figures. LaTeX, uses PoS.cls. Contribution to the proceedings of the XXVI International Workshop on Deep-Inelastic Scattering and Related Subjects (DIS2018), 16-20 April 2018, Kobe, Japan

We show that the production of J/psi or Upsilon pairs in unpolarised pp collisions is currently the best process to measure the momentum-distribution of linearly-polarised gluons inside unpolarised protons through the study of azimuthal asymmetries. Not only the short-distance coefficients for such reactions induce the largest possible cos 4 phi modulations, but analysed data are already available. Among the various final states previously studied in unpolarised pp collisions within the TMD factorisation approach, di-J/psi production exhibits by far the largest asymmetries, up to 50% in the region studied by the ATLAS and CMS experiments. In addition, we use the very recent LHCb data at 13 TeV to perform the first fit of the unpolarised transverse-momentum-dependent gluon distribution., v2: 8 pages, 7 figures, uses LaTeX with elsarticle. v2 matches the published version in PLB up to a numerical mistake and mislabellings in Figs. 4 which are the object of a submitted corrigendum