[論文レビュー] Modeling nuclear parton distribution functions

H. Honkanen, M. Strikman+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2013

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

ひとこと要約

本稿では、小x核シャドウイングのFGS1/2理論的枠組みと、現象論的EKS98/EPS09 nPDFセットを組み合わせることで、Bjorken-xの正しい定義および等価光子寄与を反映した、洗練された核子部分子分布関数（nPDF）モデルを提案する。主な結果として、xシフトおよび光子寄与の補正が、LHCにおけるp+Pb衝突におけるフォワードパイオン生成断面積の予測を顕著に変化させることを示しており、特にEMC領域および高横動量領域で顕著な影響を及ぼし、核子修飾比に測定可能な効果をもたらす。

ABSTRACT

The presence of nuclear medium and collective phenomena which involve several nucleons modify the parton distribution functions of nuclei (nPDFs) compared to those of a free nucleon. These modifications have been investigated by different groups using global analyses of high energy nuclear reaction world data resulting in modern nPDF parametrizations with error estimates, such as EPS09(s), HKN07 and nDS. These phenomenological nPDF sets roughly agree within their uncertainty bands, but have antiquarks for large-$x$ and gluons for the whole $x$-range poorly constrained by the available data. In the kinematics accessible at the LHC this has negative impact on the interpretation of the heavy-ion collision data, especially for the $p + A$ benchmarking runs. The EMC region is also sensitive to the proper definition of $x$, where the nuclear binding effects have to be taken into account, and for heavy nuclei one also needs to take into account that a fraction of the nucleus momentum is carried by the equivalent photons which modifies the momentum sum rule. We study how these effects affect the predictions for the nuclear modification ratios at the LHC kinematics using a model where we combine theoretical input for the leading twist nuclear shadowing (the FGS model) and the EKS98s/EPS09s nPDF set where the spatial dependence is formulated as a power series of the nuclear thickness functions $T_A$.

研究の動機と目的

• 核衝突におけるBjorken-xの不適切な定義が引き起こすnPDFパラメトライゼーションの不正確さを是正すること。
• 核結合エネルギーおよび等価光子寄与が、グルーオンの運動量分率および核子修飾比に与える影響を定量化すること。
• FGSシャドウイングとEKS98/EPS09パラメトライゼーションを組み合わせた理論的根拠に基づくnPDFモデルを構築し、LHCの予測を改善すること。
• xシフトおよび衝突パラメータ依存効果が、p+Pb衝突におけるフォワードパイオン生成に与える感度を評価すること。
• 将来のNLOおよび衝突パラメータ依存nPDFセットの基礎を提供し、EMC領域のモデリングを改善すること。

提案手法

• モデルは、中間x領域で多項式補間を用いて、FGS1/2の小x核シャドウイングフレームワークとEKS98/EPS09 nPDFセットを統合する。
• 核結合エネルギーおよび質量差を考慮した $ r_x^A $ を用いて、x変数に補正を施す。$ x_{\text{shift}} = x_p / (1 + r_x^A) $ で定義される。
• 運動量和則を保存するため、グルーオン分布を $ g_{\text{scale}} = (\eta_g - \eta_\gamma(A)) / \eta_g $ でスケーリングし、等価光子寄与を反映する。
• LHCエネルギー下でのp+Pb → π⁰生成断面積を用いてモデルを検証し、因子化および重規格化スケールを $ p_T $ に設定する。
• 衝突パラメータ依存性は、空間的に依存する核厚さ関数 $ T_A(\mathbf{s}) $ を用いてモデル化し、中心性クラスは光学的Glauberモデルから導出する。
• 結果はEKS98sおよびEPS09s nPDFセットと比較され、特に中間ラピディティおよびフォワードラピディティでのパイオン生成に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 核結合を考慮したBjorken-xの正しい定義が、EMC領域におけるnPDF予測にどのように影響を与えるか？
• RQ2 高エネルギー核衝突における等価光子が、運動量和則およびnPDFにおけるグルーオン分布にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 xシフト補正および光子寄与が、LHCにおけるフォワードパイオン生成における核子修飾比 $ R_{p\text{Pb}}^{\pi^0} $ に与える影響はいかほどか？
• RQ4 FGS1/2シャドウイングモデルは、フォワードラピディティ領域でEKS98/EPS09パラメトライゼーションとどのように比較されるか？
• RQ5 空間的に依存するnPDFが、p+Pb衝突における中心性依存パイオン生成に与える影響は何か？

主な発見

• xシフト補正のみで、特に $ p_T \sim 10 $ GeV 以上の領域で、フォワードラピディティにおける $ R_{p\text{Pb}}^{\pi^0} $ に測定可能な顕著なずれが生じ、高 $ p_T $ 領域では5%を超える影響を示す。
• $ ^{208}\text{Pb} $ において $ Q_0^2 = 2.5 $ GeV² のとき、グルーオンスケーリング係数 $ g_{\text{scale}} $ は 0.93 であることが判明し、等価光子の寄与によりグルーオンの運動量分率が約7%低下する。
• 中間ラピディティのパイオン生成では、FGS+EKS98モデルはEKS98結果と比較してわずかなずれ（<3%）しか示さない。これは主に小xグルーオン寄与が支配的であるためである。
• フォワードラピディティ領域では、 $ p_T \sim 10 $ GeV 以上の領域でFGS1およびFGS2モデルは互いに区別できなくなるが、両者ともxシフトおよびシャドウイング効果によりEKS98から顕著にずれる。
• EMC効果の衝突パラメータ依存性は、核の中心部で最大になると予想され、局所的密度および短距離相関スケーリングに起因する。これは空間的に分解能のあるnPDFモデリングを支持する。
• 本研究は、xシフトおよび光子補正を無視すると、特にフォワード領域においてLHC p+Pbベンチマークデータの解釈に系統的誤差が生じることを示している。