[論文レビュー] Electron-Nucleus Collisions at THERA

L. Frankfurt, V. Guzey+2 more|ArXiv.org|Apr 24, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、THERA施設における電子-核衝突が、小さな結合定数にもかかわらず高エネルギー仮想光子が重い核と強く相互作用するブラックボディ限界（BBL）領域における量子色力学（QCD）を調べる独自の機会を提供すると提案している。BBL領域では、標準的な一次ツイストDGLAPダイナミクスとは異なり、抑制された先行ハドロン多重度、増強された微分断面積、および$1/Q^2$依存の排他的ベクトルメソン生成といった、質的に異なる予測が得られる。THERAは、重い核において広い$Q^2$範囲でBBLに到達可能であると予想されている。

ABSTRACT

The nuclear option at THERA provides an ideal and unique opportunity to investigate the black body limit (BBL) of high energy Deep Inelastic Scattering of highly virtual photons off heavy nuclear targets and thereby probe QCD in a new regime. At high enough energies, whichever hadronic configuration the photon fluctuates into, the interaction at a given impact parameter with the heavy nuclear target will eventually reach its geometrical limit corresponding to the scattering from a black disk. An attractive feature of the BBL regime for a large nucleus is that the interaction is strong although the coupling constant is small. Predictions for longitudinal and transverse distributions of the leading hadrons in inclusive and diffractive channels and exclusive vector meson production are found to be strikingly different in BBL and the leading twist approximation. In particular, the multiplicity of leading hadrons in the current fragmentation region is strongly suppressed, while the cross section of diffractive vector meson production by longitudinally polarized photons is $ \propto 1/Q^2$. The x and $Q^2$ ranges where BBL maybe reached are calculated for the interaction of color triplet and color octet dipoles at central impact parameters. We conclude that for heavy nuclei THERA would reach deep into BBL for a wide range of $Q^2$. The connection between hard diffraction and leading twist nuclear shadowing is analysed. It is demonstrated that the current leading twist analyses of the HERA diffractive data lead to similar and very large leading twist shadowing for gluons. Several processes sensitive to the amount of nuclear shadowing for gluons are discussed.

研究の動機と目的

• THERAにおける電子-核衝突の深エネルギースキャッタリング（DIS）におけるブラックボディ限界（BBL）を調査し、小さな結合定数にもかかわらず強い相互作用が顕在化する領域を特定すること。
• 包括的および微分的DIS観測量において、BBL領域と標準的一次ツイストDGLAPフレームワークを明確に区別する実験的シグネチャーを同定すること。
• 核シャドウイング、特にグルーオンのシャドウイングが高エネルギー核衝突におけるハード微分断面積および色不透明性とどのように関連するかを分析すること。
• 重い核においてBBL領域に到達可能かどうかを評価し、$x$および$Q^2$における運動量領域を定量化すること。
• 核が部分子密度が高くエッジ効果が抑制されるため、BBLにアクセスする上で陽子標的に比べて優れた環境を提供することを示すこと。

提案手法

• 中心的衝突パラメータにおける光子-核散乱のブラックディスク限界を計算するために、アイケノイドモデルとユニタリティ制約を用いる。
• BBL近似を用いて、包括的および微分的断面積（縦方向および横方向のハドロン分布および排他的ベクトルメソン生成を含む）を計算する。
• BBLにおける核の構造関数の$x$および$Q^2$依存性を導出し、$F^{A}_{2} \propto \pi R_{A}^{2} Q^{2} \ln(1/4m_{N}R_{A}x)$と示し、DGLAPスケーリングとは対照的であることを示す。
• 一次ツイストの微分的部分子分布モデルを用いて、核シャドウイングの有効断面積$\sigma^{j}_{\text{eff}}$を$x$および$Q^2$の関数として評価する。
• 排他的ベクトルメソン電磁生産における一次ツイストとBBLの予測を比較し、BBL領域では$1/Q^2$依存性が得られることを示す。
• 色不透明性およびコherent生成の役割を評価し、横方向運動量$p_t \leq 2/R_A^2$の範囲で、コherent過程の検出が簡略化されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 THERAにおける電子-核衝突で、高エネルギーDISのブラックボディ限界（BBL）に到達可能か？ また、どの$x$および$Q^2$範囲で到達可能か？
• RQ2 核構造関数や電流断片領域におけるハドロン多重度といった包括的観測量は、BBL領域で一次ツイストDGLAP領域とどのように異なるか？
• RQ3 BBL領域におけるグルーオンシャドウイングの役割は何か？ また、ハード微分断面積および一次ツイスト核シャドウイングとどのように関連するか？
• RQ4 なぜ核が陽子標的に比べてBBLを調べるのに適しているのか？ 特にエッジ効果の抑制と部分子密度の増大という点で説明せよ。
• RQ5 排他的過程、たとえばベクトルメソン電磁生産におけるBBLの観測可能なシグネチャーは何か？ また、標準的QCD予測とはどのように異なるか？

主な発見

• BBL領域における核構造関数は$F^{A}_{2} \propto \pi R_{A}^{2} Q^{2} \ln(1/4m_{N}R_{A}x)$とスケーリングし、DGLAP予測とは異なり$1/x$依存が緩やかであるため、標準的スケーリングからの逸脱を示している。
• 核と陽子の構造関数比は$1/x$に反比例し、$F^{A}_{2}/F^{N}_{2} \propto 1/(1 + c_N \ln^2 1/x)$と表され、BBLの明確なシグネチャーを提供する。
• 包括的微分断面積はBBL領域で全断面積のおよそ半分に達し、微分過程の著しい増強を示している。
• BBL領域における縦偏光光子による排他的ベクトルメソン生成断面積は$\propto 1/Q^2$に比例するが、これは一次ツイストモデルの$Q^2$依存性とは著しく異なる。
• グルーオンシャドウイングの有効断面積$\sigma^{g}_{\text{eff}}$は、$Q^2 \sim 2$ GeVおよび$x \sim 10^{-3}$で約10 mbに達し、強いシャドウイング効果を示している。
• 鉛核において$Q^2 \sim 10$ GeVでは、$x \lesssim 10^{-3}$の範囲でBBL領域に到達可能であり、高い部分子密度とローレンツ収縮によりブラックディスク限界に達している。