[論文レビュー] First simultaneous global QCD analysis of dihadron fragmentation functions and transversity parton distribution functions

C. Cocuzza, Andreas Metz+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、e⁺e⁻消滅（Belle）、半包含的深エネルギーゲルミンスティング散乱、および陽子-陽子衝突（STAR）のデータを用いて、初の同時全球的QCD解析を通じて、二発がり分岐関数（DiFFs）とヌクレオン横スピン部分子分布関数（PDFs）を同時に分析する。新しい数密度解釈をDiFFsに導入し、π⁺π⁻ DiFFsと上/下クォークおよび反クォークの横スピン分布を抽出した。複数の観測量、特に格子QCDのテンソル荷重と単一ハドロン分岐データとの一貫性が確認され、横スピンと二発がり分岐の普遍的記述が示唆された。

ABSTRACT

We perform a comprehensive study within quantum chromodynamics (QCD) of dihadron observables in electron-positron annihilation, semi-inclusive deep-inelastic scattering, and proton-proton collisions, including recent cross section data from Belle and azimuthal asymmetries from STAR. We extract simultaneously for the first time $π^+π^-$ dihadron fragmentation functions (DiFFs) and the nucleon transversity distributions for up and down quarks as well as antiquarks. For the transversity distributions we impose their small-$x$ asymptotic behavior and the Soffer bound. In addition, we utilize a new definition of DiFFs that has a number density interpretation to then calculate expectation values for the dihadron invariant mass and momentum fraction. Furthermore, we investigate the compatibility of our transversity results with those from single-hadron fragmentation (from a transverse momentum dependent/collinear twist-3 framework) and the nucleon tensor charges computed in lattice QCD. We find a universal nature to all of this available information. Future measurements of dihadron production can significantly further this research, especially, as we show, those that are sensitive to the region of large parton momentum fractions.

研究の動機と目的

• 二発がり分岐関数（DiFFs）とヌクレオン横スピン部分子分布関数（PDFs）を同時に抽出する、初のグローバルQCD解析を実施すること。
• BelleおよびSTAR実験の最新の断面積および方位角非対称性データを、統一されたQCDフレームワークに統合すること。
• DiFFsに新しい数密度解釈を適用し、二発がりの不変質量 $M_h$ および運動量分率 $z$ の期待値を意味のある形で計算可能にする。
• 抽出された横スピン分布が、単一ハドロン分岐（TMDおよびtwist-3フレームワーク）の結果および格子QCDのテンソル荷重と整合するかを検証すること。
• 横スピンとDiFFsの普遍性が、複数の実験的観測量および理論的フレームワークにわたってどの程度成立するかを評価すること。

提案手法

• e⁺e⁻消滅、半包含的深エネルギーゲルミンスティング散乱、およびpp衝突における二発がり観測量を、一次的摂動因子化に基づいて同時にグローバルフィットする。
• 二発がりの不変質量 $M_h$ および運動量分率 $z$ の期待値を物理的に意味のある形で計算可能にする、数密度解釈を保つ新しいDiFFsの定義を採用する。
• 横スピンPDFsに制約を課す：$x$ が小さい領域での漸近的挙動およびSofferの不等式を満たし、理論的一致性を確保する。
• $ar{u}$, $ar{d}$, $u$, $d$ の横スピン分布と、$ar{u}$, $ar{d}$, $u$, $d$, $s$, $c$, $b$ のDiFFs（$ar{ ho}^0$-類似 $ ho^0$-類似状態）を抽出する。
• 中心系エネルギー $ oot s o$ 10.58–91.19 GeV の複数のエネルギーで生成されたPYTHIAデータを用いて、DiFF抽出における系統的不確実性を推定する。
• 結果を格子QCDのテンソル荷重と単一ハドロン分岐データと比較し、フレームワーク間の一貫性および普遍性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 e⁺e⁻、SIDIS、およびpp衝突からの多様な実験的データを用いて、DiFFsと横スピンPDFsの同時グローバルQCD解析を実施できるか？
• RQ2 DiFFsに新しい数密度解釈を適用することで、二発がりの運動量分率および不変質量の物理的解釈と計算にどのような影響を与えるか？
• RQ3 抽出された横スピン分布は、単一ハドロンTMDおよびtwist-3分岐フレームワークからの結果と整合的か？
• RQ4 抽出されたDiFFsおよび横スピンPDFsは、どの程度格子QCDのテンソル荷重計算と一致するか？
• RQ5 異なる観測量および理論的フレームワークにわたって、横スピンとDiFFsの普遍性はどの程度成立するか？

主な発見

• Belle、STAR、およびその他のデータを用いたグローバルフィットを通じて、$ar{u}$, $ar{d}$, $u$, $d$ の横スピンPDFsと、$ar{u}$, $ar{d}$, $u$, $d$, $s$, $c$, $b$ のDiFFs（$ ho^0$-類似 $ar{ ho}^0$-類似状態）の初の同時抽出が達成された。
• 新しいDiFF定義により、物理的に意味のある数密度解釈が可能になり、二発がりの不変質量 $M_h$ および運動量分率 $z$ の期待値を計算可能にした。
• 抽出された横スピン分布はSofferの不等式を満たし、$x$ が小さい領域での正しい漸近的挙動を示している。
• 横スピンの結果は、TMDおよびtwist-3フレームワークにおける単一ハドロン分岐解析の結果と良好に一致している。
• 抽出された横スピン分布は、格子QCDのテンソル荷重と整合的であり、異なるプローブにおける横スピンの普遍的記述を支持する。
• 今後の二発がり測定、特に高運動量分率領域での測定は、DiFFsおよび横スピンの制約を顕著に改善すると予想される。