[論文レビュー] Heavy Quark Production in CC and NC DIS and The Structure of Real and Virtual Photons in NLO QCD

I. Schienbein|ArXiv.org|Oct 23, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本学位論文は、陽子と電子の衝突における深く非弾性散乱（DIS）および仮想光子の構造を含めた、重いクォーク生成の次-leading order（NLO）QCD解析を提示する。仮想光子の精密なパートン分布関数を導出し、$ep$ データと照合することで、仮想光子内のQCD補正付きパートン内容が高エネルギーDIS実験で観測可能であることを示している。

ABSTRACT

This thesis consists of two parts. In the first part heavy quark production in neutral current and charged current DIS is studied within the variable flavor number scheme of Aivazis, Collins, Olness, and Tung (ACOT). For this purpose all the relevant partonic subprocesses have been calculated to order O(α_s^1) for general masses and couplings taking into account massive initial state quark-partons as needed in the variable flavor number scheme of ACOT. By the calculation of the before missing radiative corrections to scattering amplitudes on massive quark partons the ACOT scheme could be completed to full order O(α_s^1). These results might also prove useful for studying the intrinsic charm content of nucleons. In the second part the parton content of pions and real and virtual photons is analyzed in leading order (LO) and next-to-leading oder (NLO) QCD within the framework of the radiative parton model of Glück, Reya, and Vogt (GRV). Furthermore, the factorization of the cross section for the process e^+ e^- -> e^+ e^- X into fluxes of transverse/longitudinal target photons and the cross sections for deep inelastic scattering off these target photons is investigated in detail. It is demonstrated that the factorization remains valid also for virtual P^2 \= 0 target photons in the Bjorken limit P^2 << Q^2. However, the neglected terms are of the order O(\sqrt{P^2/Q^2}) only and not of the order O(P^2/Q^2) as might have been naively expected. Finally, the photon structure functions have been calculated in lowest order perturbation theory according to the doubly virtual box γ^*(P^2) γ^*(Q^2) -> q \bar{q}. A useful compilation of various limits of these general expressions is provided.

研究の動機と目的

• QCDにおける次Leading Order（LO）を超えた、電荷を帯びるおよび中性の深く非弾性散乱（CCおよびNC DIS）における重いクォーク生成の理論的枠組みを拡張すること。
• 特に可変フレーバー体系において、重いクォーク質量およびグルーオン融合の役割をNLOで検討し、深く非弾性構造関数に与える影響を調査すること。
• NLO QCD計算を用いて、半包含的DISにおけるチム・フラグメンテーション関数をモデル化すること。
• 実および仮想光子の放射的生成パートンモデルを構築し、$Q^2$-進化および境界条件を含めること。
• 仮想光子内のQCD-自己エネルギー補正付きパートン内容が、実験的$ep$データで観測可能かどうかを検証すること。

提案手法

• NCおよびCC DISにおける構造関数への重いクォーク寄与を、$\mathcal{O}(\alpha_s)$で計算するために、ACOT（反クォーク閾値）スキームを適用する。
• $\overline{\text{MS}}$スキームをNLO計算に用い、パートン分布関数の$Q^2$-進化に対して解析的Mellin逆変換を実行する。
• 質量のあるクォーク過程における実および仮想グルーオン放出の減算項を導出し、赤外特異性を処理する。
• $s = \ln[\ln(Q^2/\Lambda^2)/\ln(\mu^2/\Lambda^2)]$ を用いて、実および仮想光子の「ポイントライク」パートン分布のパラメータ化を構築する。
• 仮想光子構造関数の理論的予測を、$e^+e^-$および$ep$データと比較し、効果的構造関数$F_{\text{eff}}$を用いる。
• 光子構造計算の入力として、パイオンのパートン密度を推定するために、構成クォークモデルを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NLO QCDにおいて、重いクォーク寄与は中性および電荷を帯びる深く非弾性構造関数にどのように影響を与えるか？
• RQ2 半包含的チム生成におけるグルーオン融合および仮想補正の役割は何か？
• RQ3 仮想光子内のQCD補正付きパートン内容は、高エネルギー$ep$散乱実験で観測可能か？
• RQ4 NLOフレームワークにおいて、実および仮想光子のパートン分布関数は$Q^2$とともにどのように進化するか？
• RQ5 広い$x$および$Q^2$範囲にわたる実験データを最もよく記述する仮想光子パートン分布関数のパラメータ化は何か？

主な発見

• CCおよびNC DISにおける重いクォーク構造関数のNLO計算は、特に低$x$領域で、仮想および実のグルーオン放出による顕著な補正を示している。
• 半包含的DISにおけるチムフラグメンテーション関数は、NLOフレームワークで良好に記述されており、$u$、$d$、および$g$型パートンに対する明示的なパラメータ化が提供されている。
• 仮想光子のパートン内容は、QCD進化によって放射的に生成され、$Q^2$-依存性は式(D.19)〜(D.23)における$s$-パラメータ化により正確に捉えられている。
• 仮想光子の効果的構造関数$F_{\text{eff}}$は、$ep$データと良好に一致しており、QCD補正付きパートン内容の観測が可能であることを支持している。
• 仮想光子の「ポイントライク」パートン分布関数のパラメータ化は、$0.5 \lesssim Q^2 \lesssim 10^5$ GeV$^2$および$10^{-5} \lesssim x < 1$の範囲で有効であり、中心系エネルギー$\sqrt{s}$に依存する係数を持つ。
• モデルは、小$x$領域で仮想光子構造関数が急激に上昇することを予測しており、$e^+e^-$および$ep$実験で観測される$\sim \ln(1/x)^{\text{power}}$的挙動と整合的である。