Exclusive quarkonium photoproduction in AA+AA UPCs at the LHC in NLO pQCD

We present the first study of coherent exclusive quarkonium ($J/\psi$, $\Upsilon$) photoproduction in ultraperipheral nucleus-nucleus collisions (UPCs) at the LHC in the framework of collinear factorization and next-to-leading order (NLO) perturbative QCD (pQCD). We make NLO predictions for the $J/\psi$ and $\Upsilon$ rapidity distributions for lead (Pb) and oxygen (O) beams, and quantify their dependence on the factorization/renormalization scale, nuclear parton distribution functions (PDFs) and their uncertainties, and on differences between nuclear PDFs and generalized parton distribution functions (GPDs). We show that within the PDF-originating uncertainties our approach provides a good description of the available $J/\psi$ photoproduction data in Pb+Pb UPCs at the LHC but that the scale uncertainty is significant. We demonstrate that at NLO pQCD the quark contributions are important in the $J/\psi$ case but that gluons clearly dominate the $\Upsilon$ cross sections. We also study how the scale dependence could be tamed by considering O+O/Pb+Pb ratios of the exclusive $J/\psi$ UPC cross sections, and how HERA and p+p/Pb LHC data can help in obtaining better-controlled NLO predictions in the $\Upsilon$ case.Comment: 6 pages, 5 figures, contributed talk by K.J.E. at the 11th International Conference on Hard and Electromagnetic Probes of High-Energy Nuclear Collisions, Hard Probes 2023, 26-31 March 2023, Aschaffenburg, German

Exclusive J/psi : photoproduction in ultraperipheral Pb plus Pb collisions at the CERN Large Hadron Collider calculated at next-to-leading order perturbative QCD

We present the first next-to-leading-order (NLO) perturbative QCD (pQCD) study of rapidity-differential cross sections of coherent exclusive photoproduction of J/psi mesons in heavy-ion ultraperipheral collisions (UPCs) at the CERN Large Hadron Collider (LHC), d sigma /dy(Pb + Pb -> Pb + J/psi + Pb). For this, we account for the photon-nucleon NLO cross sections at the forward limit, the t dependence using a standard nuclear form factor, and the photon fluxes of the colliding nuclei. Approximating the generalized parton distributions with their forward-limit parton distribution functions (PDFs), we quantify the NLO contributions in the cross sections, show that the real part of the amplitude and quark-PDF contributions must not be neglected, quantify the uncertainties arising from the scale choice and PDFs, and compare our results with ALICE, CMS, and LHCb J/psi photoproduction data in Pb + Pb UPCs, exclusive J/psi photoproduction data from HERA, and LHCb data in p + p. The scale dependence in d sigma /dy(Pb + Pb & RARR; Pb + J/psi + Pb) is significant, but we can find a scale choice that reproduces the Pb + Pb UPC data at both 2.76 and 5.02 TeV collision energies. This process has traditionally been suggested to be a direct probe of nuclear gluon distributions. We show that the situation changes rather dramatically from LO to NLO: the NLO cross sections reflect the nuclear effects of both gluons and quarks in a complicated manner, where the relative signs of the LO and NLO terms in the amplitude play a significant role.Peer reviewe

Lowest order perturbative quantum field theory calculations of bound state decay widths

Alimman kertaluvun häiriöteoreettisia kvanttikenttäteorialaskuja sidottujen tilojen hajoamisleveyksille. Työssä lasketaan sidottujen tilojen hajoamisleveydet prosesseille $J/ \psi \rightarrow l^+ l^-$, $\eta_c \rightarrow gg$, $\text{O-Ps}\rightarrow \gamma\gamma\gamma$, $J/ \psi \rightarrow ggg$ ja $J/ \psi \rightarrow \gamma gg$. Prosessit lasketaan perturbatiivisen QED:n ja QCD:n alimmassa kertaluvussa. Laskuissa käydään läpi kolme erilaista tekniikkaa invariantin amplitudin käsittelemiseksi. Johdetut hajoamisleveystulokset käyvät yksiin kirjallisuudesta löytyvien tulosten kanssa. Lisäksi tarkastellaan kokeellisesti varmistettavissa olevia hajoamisleveyssuhteita. Teoreettiset ennusteet ovat $R^{J/\psi}_{1\text{th}} = \Gamma(J/\psi\rightarrow\gamma gg)/\Gamma(J/\psi \rightarrow ggg) \approx 0.104$ sekä $R^{J/\psi}_{2\text{th}} = \Gamma (J/ \psi \rightarrow l^+ l^-) / \Gamma (J/ \psi \rightarrow ggg) \approx 0.060$, jotka ovat melko lähellä kokeellisia arvoja. Lopuksi argumentoidaan, että tulokset voidaan yleistää koskemaan muita raskaita mesoneita joilla on samat kvanttiluvut.The bound state decay widths of the processes $J/ \psi \rightarrow l^+ l^-$, $\eta_c \rightarrow gg$, $\text{O-Ps}\rightarrow \gamma\gamma\gamma$, $J/ \psi \rightarrow ggg$ and $J/ \psi \rightarrow \gamma gg$ are derived in the lowest order perturbative theory of QED and QCD. In these calculations, three different methods for processing the invariant amplitude are presented. The derived decay width results agree with the established ones in the literature. Moreover, experimentally verifiable ratios between calculated decay widths are presented. The theoretical predictions are $R^{J/\psi}_{1\text{th}} = \Gamma(J/\psi\rightarrow\gamma gg)/\Gamma(J/\psi \rightarrow ggg) \approx 0.104$ and $R^{J/\psi}_{2\text{th}} = \Gamma (J/ \psi \rightarrow l^+ l^-) / \Gamma (J/ \psi \rightarrow ggg) \approx 0.060$, which agree relatively well with experimental results. Finally it is argued that the development can be generalized for other heavy mesons with the same quantum numbers

Mathematical foundations of the eigenvalue problem in quantum mechanics

Työssä tarkastellaan kvanttiteorian ominaisarvo-ongelman matemaattisia perusteita asettamalla vaatimuksia Hilbertin avaruudelle. Työ seuraa läheisesti John von Neumannin käsittelyä kirjassa ’’Mathematical Foundations of Quantum Mechanics’’. Vaatimukset Hilbert avaruudelle, sekä niistä seuraavat teoreemat, on yhteenvedetty lyhyesti. Aiheen käsittelyssä keskitytään Hilbert-avaruuden geometriaan, johon ominaisarvo-ongelman muodostaminen pohjautuu. Lopuksi käsitellään esimerkkiä äärettömän syvästä potentiaalikuopasta, jonka kautta nähdään tarve kvanttiteorian määritelmien ja teoreemien korrektille ymmärtämiselle.The mathematical foundations of the quantum theory are recapitulated up to the formulation of the time-independent eigenvalue problem. The work follows closely to that of John von Neumann in his book the mathematical foundations of quantum mechanics. The requirements set for the Hilbert space and the ensuing theorems are summarized in a prompt manner. The greatest effort is used up in addressing the geometry of Hilbert space. With the theory thus far developed, an overlook into the proper formulation of the eigenvalue problem is stated. The work finishes with an example of the eigenvalue problem in an infinitely deep potential well. The example points out the need of proper understanding of the development of the quantum theory

Exclusive Photoproduction of Heavy Vector Mesons in Ultraperipheral Nuclear Collisions

Tässä väitöskirjassa tutkitaan mahdollisuutta kuvata prosesseja, joissa syntyy raskas vektorimesoni fototuoton kautta koherentisti ja eksklusiivisesti raskaiden ionien ultraperifeerisissä törmäyksissä (UPC) käyttämällä inklusiivisia kollineaarisesti faktoroitavissa olevia partonijakaumia (PDF). Tavoitteena on kartoittaa laskettujen vaikutusalojen skaalariippuvuus ja PDF-epävarmuudet approksimaatiossa, jossa yleistetyt partonijakaumat (GPD) korvataan niiden etusuunnan vastineilla eli PDF:llä. Väitöskirjan johdannossa esitetään PDF:t ja GPD:t niiden fysikaalisissa konteksteissa sekä niiden yhteys toisiinsa ja niiden vastineisiin ytimissä. Johdanto käy läpi fototuottoamplitudin alimman kertaluvun (LO) laskun kvanttiväridynamiikan häiriöteoriassa (pQCD) ja kuvaa kuinka kvarkkikontribuutio syntyy alinta seuraavassa kertaluvussa (NLO). Tämän lisäksi johdannossa kuvataan ne yksityiskohdat, joita tarvitaan muototekijöiden sekä fotonivuon laskemiseen ennen kuin kaikki nämä tekijät yhdistetään ydin-ydin-UPC:lle. Kuvattu viitekehys on se, jolla suurin osa artikkeleiden [PI, PII, PIII] tuloksista on saatu. Artikkeli [PI] oli ensimmäinen NLO-pQCD-tutkimus rapiditeetin suhteen differentioiduista vaikutusaloista J/ψ:n koherentille eksklusiiviselle fototuotolle lyijy-lyijy-UPC:ssä. Artikkeli [PII] laajensi tulokset happi-happi-törmäyksiin ja tutki mahdollisuutta rajoittaa artikkelissa [PI] havaittua vahvaa skaalariippuvuutta sopivasti valituilla vaikutusalasuhteilla. Artikkelissa [PIII] viitekehys laajennettiin U-mesoneihin sekä lisättiin ns. skewness-korjaus Shuvaev-muunnoksen kautta. Tulokset näyttävät ERBL-alueen tärkeyden voimakkaasti kasvavalle gluoni- PDF:lle, mutta tämän lisäksi tutkimuksessa ei löydetty tiukkoja rajoitteita gluoneille. Tuloksissa nähtiin yllättävä herkkyys kvarkkikontribuutioille J/ψ:n tapauksessa, jonka vuoksi tarkasteltu prosessi saattaa tarjota mahdollisuuden tutkia vaikeasti havaittavaa outokvarkkikontribuutiota sidotuissa ytimissä. Tämä herkkyys johtuu sironta-amplitudin LO- sekä NLO-gluonikontribuutioiden tavasta kumota toisensa. Tutkimus valaa toivoa sille, että tässä työssä käsiteltyjä prosesseja voitaisiin mahdollisesti käyttää tulevaisuudessa datarajoitteina PDF:lle sekä niiden vastineille ytimissä.This thesis investigates the possibility of describing coherent exclusive photoproduction of heavy-vector mesons in ultraperipheral heavy-ion collisions (UPCs) by using inclusive collinearly factorizable parton distribution functions (PDFs). The aim is to chart the scale dependence and the PDF-originated uncertainties of such photoproduction cross sections, arising in the approximation where the generalized parton distributions (GPDs) are simply approximated by their forward limit counter parts, i.e., the PDFs. The introductory part presents the PDFs and GPDs in their physics contexts, their connection to each other and to the nuclear ones, shows the full leading order (LO) calculation of the photoproduction amplitude in perturbative quantum chromodynamics (pQCD) and describes the way the quark contribution arises at next-to-leading order (NLO). Furthermore, details of the required modeling of the form factors and photon fluxes are described before finally collecting everything together for the nucleus-nucleus UPCs. The described framework is the basis on which most of the results of the papers [PI, PII, PIII] rely. Article [PI] was the very first NLO pQCD study of rapidity differential cross sections of coherent exclusive photoproduction of J/ψ mesons in lead-lead UPCs. Article [PII] extended the results to the case of oxygen-oxygen collisions and studied the possibility of constraining the strong scale dependence of the results of article [PI] through suitably chosen ratios of cross sections. Then finally in article [PIII] the framework was extended to the case of U mesons with the addition of the skewing correction through the Shuvaev transform. The results show the importance of the ERBL region for a strongly growing gluon PDF but other than that no tight constraints for the gluons were found. Surprisingly, sensitivity to the quark PDFs was discovered in the J/ψ case, due to which the studied process may be a probe of the elusive strangeness content of bound nucleons. The sensitivity originates from the cancelling nature of the LO and NLO gluon contributions in the scattering amplitude. This thesis paves the way towards including the studied exclusive processes as constraints in the global analysis of PDFs and their nuclear counterparts. Keywords: Particle interactions, particle phenomena, particle production, quantu

Suomelle kolme kunniamainintaa vuoden 2021 kansainvälisistä fysiikkaolympialaisista

Heinäkuun lopulla järjestetyissä vuoden 2021 fysiikkaolympialaisissa kolme suomalaista palkittiin kunniamainninnoin. Maininnan saivat Henri Kärpijoki Turun Suomalaisen yhteiskoulun lukiosta, Niklas Keckman Porin Suomalaisen yhteislyseon lukiosta ja Eppu Leinonen Munkkiniemen yhteiskoulusta. Viisihenkiseen joukkueeseen kuuluivat myös Aaro Niinistö Kaurialan lukiosta ja Anton Petaja Porin Suomalaisen yhteislyseon lukiosta. Joukkueen johtajana toimi Lasse Franti Savonlinnan lyseon lukiosta ja paikallisena valvojana Topi Löytäinen Jyväskylän yliopistosta.nonPeerReviewe

Fysiikan kehityshanke 2021

Opetushallitus myönsi marraskuussa 2020 MAOLille valtionavustuksen, jonka tavoitteena oli “kasvattaa tiedeolympialaistoiminnan vaikuttavuutta ja kattavuutta kansallisella tasolla ja lisätä toimijoiden välistä yhteistyötä sekä hyvien käytänteiden levittämistä” [1]. Avustuksen viimeiseksi päiväksi määrättiin 31. joulukuuta 2021, joten fysiikan valmennustiimissä aloimme luonnollisesti kutsua vuotta 2021 kehitysvuodeksi. Tällaiselle kehitysvuodelle olikin ollut jo pitkään tarvetta.nonPeerReviewe

Pohjoismaiden ja Baltian fysiikkaolympialaiset 2021

Tänä keväänä järjestetyt viidennet Pohjoismaiden ja Baltian fysiikkaolympialaiset (NBPhO) toteutettiin viime vuoden tapaan etäkilpailuna [1]. Tämän Suomen ja Viron välisestä yhteistyöstä alkunsa saaneen kilpailun ensiaskeleet voidaan jäljittää aina 1990-luvun alkuun [2]. Viisi vuotta sitten kilpailu laajennettiin koskemaan Suomen ja Viron lisäksi muita Pohjoismaita sekä Baltian maita. Organisaatiovastuu on ollut pääasiassa Virolla, sillä kilpailu järjestetään normaalioloissa Tallinnan Teknillisellä Yliopistolla, mutta kilpailun akateemiseen komiteaan kuuluu Viron lisäksi Suomi, Ruotsi ja Latvia. Nämä neljä maata muodostavat kilpailun niin sanotut päämaat, ja muut kilpailuun osallistuvat maat ovat vierailevia maita.nonPeerReviewe

Laatuaikaoppiminen : vuorovaikutteista ja yhteistoiminnallista fysiikan opiskelua

Esittelemme artikkelissa Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksella kehitettyä opetuksen toimintamallia, joka perustuu teknologiatuettuun pienryhmäopiskeluun ja kurssin aikaiseen formatiiviseen arviointiin. Toimintamalli kehittää työelämätaitoja, tehostaa opettajien ja opiskelijoiden ajankäyttöä, vahvistaa opiskelijoiden välistä vuorovaikutusta ja hyödyntää suunnitelmallisesti tuloksia fysiikan opetuksen tutkimuksesta. Alustavat kokemukset toimintamallista ovat rohkaisevia.nonPeerReviewe