[論文レビュー] Factorized approach to radiative corrections for inelastic lepton-hadron collisions

Tianbo Liu, Wally Melnitchouk+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 63被引用数 14

ひとこと要約

本稿は、QEDおよびQCD寄与を同等に扱うことで、包含的および半包含的 deep-inelastic scattering (DIS) におけるQED放射補正を体系的に再まとめることを目的とした要因分解型フレームワークを提案する。QED放射による対数的に強化された項を再まとめる普遍的レプトン分布関数および分裂関数（LDFs/LFFs）を導入し、レプトン-ハドロン散乱データから三次元ハドロン構造を一貫して抽出可能にし、中程度のQおよび大きな横動径運動量において補正が最大50%に達する。

ABSTRACT

We propose a factorized approach to QED radiative corrections for inclusive and semi-inclusive deep-inelastic scattering to systematically account for QED and QCD radiation contributions to both processes on equal footing. This is achieved by utilizing factorization to resum logarithmically enhanced QED radiation into universal lepton distribution and fragmentation (or jet) functions. Numerical simulations suggest that the QED effects induced by the rotational distortion of the hadron transverse momentum, arising from the mismatch between the experimental Breit frame and the true photon-hadron frame, can be as large as 50\% for moderate $Q$, and become increasingly important for large transverse momenta. Our framework provides a uniform treatment of radiative effects for extracting three-dimensional hadron structure from high-energy lepton-hadron scattering at current and future facilities, such as the Electron-Ion Collider.

研究の動機と目的

• 包含的および半包含的deep-inelastic scattering (DIS) におけるQEDおよびQCD放射補正の統一的かつ要因分解型の取り扱いを開発すること。
• すべての順序の共線的QED放射を普遍的LDFおよびLFFに体系的に再まとめること。
• 高エネルギーのレプトン-ハドロン散乱実験から横動径運動量に依存する部分子分布関数（TMDs）を正確に抽出できるようにすること。
• QED放射によって引き起こされる、Breit枠と真の光子-ハドロン枠との間の実験的フレームの不一致、特に回転歪みがハドロンの横動径運動量測定に与える影響を解消すること。
• DIS、SIDIS、e+e−散멸、Drell-Yan過程に適用可能な一貫性があり、赤外線安全なフレームワークを提供すること。

提案手法

• 短距離のハード部と長距離の普遍的関数に分離するQCDに類似した要因分解アプローチを用いる。
• 摂動的進化方程式を用いて、すべての順序の共線的QED放射を普遍的LDFおよびLFFに再まとめる。
• 断面積をLDF、LFFおよび摂動的に計算可能なハード部（bHia→j）の畳み込みとして定義し、すべての対数的強化項を普遍的関数に吸収する。
• 共線的およびTMD要因分解の領域を適用：PT ≫ pT の背中合わせの横動径運動量ではTMD要因分解、PT ∼ pT の場合には共線的要因分解を用いる。
• MSスキームにおけるLDFおよびLFFの最低次および次次精度の表現を用い、摂動的補正にはレプトン質量および要因分解スケールにおける対数項を含む。
• ハード散乱振幅（bHia→j）をQEDおよびQCDの最低次摂動的に取り扱い、すべてのQED補正をLDFおよびLFFに再まとめること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 包含的および半包含的DISにおけるQED放射補正を、QCD要因分解フレームワークと整合性を保ちつつ体系的に再まとめることは可能か？
• RQ2 QED放射がレプトン-ハドロン散乱からの横動径運動量に依存する部分子分布関数（TMDs）の抽出に与える影響は何か？
• RQ3 QED放射によって引き起こされる、実験的Breit枠と真の光子-ハドロン枠との不一致が、ハドロンの横動径運動量測定にどれほど歪みを引き起こすか？
• RQ4 高エネルギーのレプトン-ハドロン散乱過程において、QEDおよびQCD寄与を同等に取り扱う統一的フレームワークを構築できるか？
• RQ5 大きな横動径運動量の下で、QED補正が構造関数および部分子分布関数の決定にどのように影響を及えるか？

主な発見

• ハドロンの横動径運動量の回転歪みに起因するQED効果は、中程度のQにおいて最大50%に達し、大きな横動径運動量においてますます顕著になる。
• 提案された要因分解型フレームワークは、すべての順序の対数的QED補正を普遍的LDFおよびLFFに再まとめ、一貫性があり赤外線安全な取り扱いを可能にする。
• QED放射効果を考慮することで、角運動量の変調や運動量移動の定義が歪められるのを防ぎ、レプトン-ハドロン散乱からのTMDの信頼できる抽出が可能になる。
• LDFおよびLFFはQEDにおいて摂動的に計算可能であり、MSスキームにおける次次精度の表現が得られており、レプトン質量および要因分解スケールにおける対数項を含む。
• このフレームワークはDISを越えてe+e−散滅やDrell-Yan生成過程にも適用可能であり、放射補正を一様に取り扱える。
• 数値シミュレーションにより、これらのQED補正を無視すると、実験データからの三次元ハドロン構造の抽出に顕著な系統的誤差が生じることが確認された。