Universalità delle funzioni di frammentazione in processi di adronizzazione non collineari

In this Master thesis, we review the formalism for hadronic collisions leading to the inclusive production of a hadron inside a jet. In specific kinematic conditions, the cross section can be expressed in a factorized form where we can isolate a function that accounts for the fragmentation of an energetic parton (emerging from the hard collision) into a jet that contains a leading hadron. We show that the nonperturbative object describing the transverse-momentum distribution of this hadron around the jet axis is connected through perturbatively calculable coefficients to the standard nonperturbative transverse-momentum dependent (TMD) fragmentation function that characterizes the inclusive hadron production in processes without jets. While the latter nonperturbative function can be extracted from experimental data for semi-inclusive deep-inelastic scattering (SIDIS) or inclusive hadron production in electron-positron annihilations, where a factorization theorem is proved at all orders in perturbation theory, the cross section for inclusive hadron production in hadronic collisions is not factorizable. Using the specific channel of hadron-in-jet production allows then to check the universality of TMD fragmentation functions also in hadronic collisions. We define the unintegrated multiplicity of hadrons inside a jet as a suitable observable to study the transverse-momentum distribution of a hadron around the jet axis. With the help of the INFN-NINPHA Cagliari unit, we perform a numerical analysis of the unintegrated multiplicity in order to compare with experimental data from the LHCb Collaboration for the production of charged hadrons inside tagged jets produced in proton-proton collisions at the LHC. We use as input the TMD fragmentation functions extracted by the INFN-NINPHA Pavia unit from the global fit of SIDIS, Drell-Yan, and Z-boson production experimental data. Finally, we briefly outline some interesting developments for hadronic collisions when at least one of the hadrons is transversely polarized. In this case, the cylindrical symmetry of the azimuthal distribution of the hadron around the jet axis is broken by a term in the cross section that involves chiral-odd objects, appearing because of the transverse polarization of partons. These chiral-odd objects can be relevant for explorations of new physics beyond the Standard Model, hence it is of outmost importance to reach the most precise knowledge of them. Phenomenological information on these chiral-odd quantities is already available from SIDIS and electron-positron annihilation processes. Using the hadron-in-jet channel allows to extend the exploration also to hadronic collisions and gain further insight into chiral-odd hadronic structures.

In questa tesi Magistrale si esamina il formalismo necessario a descrivere le collisioni adroniche che portano alla produzione inclusiva di un adrone all'interno di un jet. Per specifiche condizioni cinematiche, infatti, la sezione d'urto può essere scritta in una forma fattorizzata, da cui si può isolare una funzione che descrive la frammentazione di un partone (emergente dalla collisione ad alta energia) in un jet contenente un adrone dominante. Si dimostra che l'oggetto non perturbativo che descrive la distribuzione di momento trasverso dell'adrone attorno all'asse del jet è connesso, attraverso coefficienti calcolabili perturbativamente, alla funzione di frammentazione standard (non perturbativa) dipendente dal momento trasverso (TMD) che caratterizza la produzione inclusiva di un adrone in processi in cui non si identifica la struttura di un jet. Mentre quest'ultima funzione non perturbativa può essere estratta dai dati sperimentali per la produzione inclusiva di adroni da processi di diffusione profondamente inelastica di leptoni su adroni-bersaglio (SIDIS), o di annichilazione elettrone-positrone, in cui il teorema di fattorizzazione è dimostrato per tutti gli ordini della teoria perturbativa, ciò non è possibile se si considera la produzione inclusiva di adroni in collisioni adroniche, perché la sezione d'urto non è fattorizzabile. Il canale specifico in cui si identifica un adrone all'interno di un jet permette quindi di verificare l'universalità delle funzioni di frammentazione TMD anche nelle collisioni adroniche. Come osservabile idonea allo studio della distribuzione di momento trasverso degli adroni rispetto all'asse del jet, si considera la molteplicità non integrata degli adroni rivelati all'interno del jet. Con l'aiuto del gruppo INFN-NINPHA di Cagliari è stata eseguita un'analisi numerica di tale osservabile in modo da potersi confrontare con i dati sperimentali della Collaborazione LHCb per la produzione di adroni carichi all'interno di jet (identificati in correlazione alla presenza di bosoni) prodotti nelle collisioni protone-protone ad LHC. Sono state usate come input per il calcolo numerico le funzioni di frammentazione TMD estratte dal gruppo INFN-NINPHA di Pavia in un fit globale di dati sperimentali relativi ai processi di SIDIS, Drell-Yan e produzione di un bosone Z. Infine, si delineano brevemente alcuni interessanti sviluppi riguardanti i processi di collisione adronica in cui almeno uno dei due adroni è trasversalmente polarizzato. In questo caso, l'asimmetria cilindrica della distribuzione azimutale dell'adrone attorno all'asse del jet è rotta da un termine nella sezione d'urto che coinvolge oggetti associati a processi che non conservano l'elicità dei partoni (in gergo, chiral-odd), i quali appaiono a causa della polarizzazione trasversa dei partoni. Tali oggetti, di cui si hanno informazioni solo da processi di SIDIS e di annichilazione elettrone-positrone, sono potenzialmente utili per la ricerca di Fisica oltre il Modello Standard, perciò è di massima importanza ottenerne una conoscenza precisa. Il canale in cui si considera la produzione di un adrone all'interno di un jet permette di estendere l'esplorazione anche al caso delle collisioni adroniche e di ottenere ulteriori informazioni riguardo alle strutture adroniche chiral-odd.