[論文レビュー] Quantum Chromodynamics at small Bjorken-x

Pieter Taels|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2017

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 3

ひとこと要約

本学位論文は、高エネルギーQCDにおける2つの主要な問題、陽子-核衝突におけるフォワード重味クォーク生成およびクォーク-グルーオンプラズマにおけるジェットクエンチングに対して、色ガラスコンデンエート（CGC）フレームワークを適用する。CGCを用いて断面積を導出することで、ハイエナジー因子分解（HEF）およびTMD因子分解スキームの両方の結果を再現するとともに、非摂動的パートン分布関数の解析的・数値的モデル化を可能にする。さらに、中間体における横運動量広がりの主要対数補正を再結合するためのフレームワークを構築し、二重主要対数近似（DLA）において非線形な進化方程式を導出する。

ABSTRACT

With the advent of very powerful particle accelerators, such as RHIC and the LHC, it becomes possible to study QCD in high energy collisions, in which the gluon content of the proton or nucleus is probed and its density becomes often large enough for nonlinear effects to play a role. This small-x regime of QCD is well described by an effective theory known as the Color Glass Condensate (CGC). In this thesis, we introduce the CGC and apply it to two different problems. First, we use the CGC to study forward heavy-quark production in pA collisions. When the quarks are nearly back-to-back, the CGC result coincides with the one in the TMD factorization approach. This allows us to extract the small-x limit of the Weizsäcker-Williams gluon distribution, as well as the dipole distribution and one extra gluon TMD. Each of these gluon TMDs is accompanied by a partner, which couples via the quark mass and which describes the linearly polarized gluon content of the unpolarized nucleus. We calculate the six resulting gluon TMDs analytically in the MV model, and evolve them in rapidity using a numerical implementation of JIMWLK. The second problem is situated within heavy-ion physics. Jets, produced in the scattering of two nuclei, travel through the Quark-Gluon Plasma (QGP) before reaching the detector, and are attenuated as a result of their interaction with this medium. This phenomenon, known as jet quenching, is one of the main probes to investigate the QGP. We focus on the transverse momentum broadening of a hard particle traveling through a nuclear medium, and employ small-x techniques to attempt to resum the leading logarithmic corrections due to soft gluon radiation. Although, ultimately, we can only solve the resulting in-medium evolution equation to DLA accuracy, we do present a concise framework for the problem, and draw a detailed comparison with the CGC and with the literature.

研究の動機と目的

• 標準的因子分解スキームの代替として、CGCフレームワークを用いて陽子-核衝突におけるフォワード重味クォーク生成を研究すること。
• ハイエナジー因子分解（HEF）と横運動量依存因子分解（TMD）の両方の結果を適切な極限において再現する統一的理論的記述を提供すること。
• 実験的入力を必要とせず、CGC内で非摂動的パートン分布関数を解析的および数値的にモデル化すること。
• エネルギーの高いジェットが核物質中を通過する際の横運動量広がりを、軟グルーオン放射による放射修正に注目して調査すること。
• 小-x QCD技術およびCGCを用いて、クォーク-グルーオンプラズマにおけるジェットクエンチングの理論的フレームワークを構築し、主要対数補正を再結合すること。

提案手法

• 高エネルギー・高グルーオン密度状態のQCDを記述するため、CGC有効理論を用いる。特に陽子および核衝突において有効である。
• ドロイドおよびカラードロイド的相互作用を組み込んだCGC形式を用いて、$pA$衝突におけるフォワード重味クォーク対生成の断面積を導出する。
• 飽和スケールのMVおよびGBWモデルを適用し、グルーオンの横運動量分布および断面積への影響を計算する。
• 軟グルーオン放射に起因する主要対数補正を再結合することで、中間体における横運動量広がりの非線形進化方程式を構築する。
• 得られた中間体における進化方程式を二重主要対数近似（DLA）で解き、ジェットクエンチング効果の定量的予測を可能にする。
• 導出された式を既存の文献の結果と比較し、HEFおよびTMD極限での一貫性を確認するとともに、偏極依存項における不一致を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CGCフレームワークは、フォワード重味クォーク生成において、ハイエナジー因子分解（HEF）および横運動量依存因子分解（TMD）の両方の結果を適切な運動量領域で再現できるか？
• RQ2 CGCモデルにおける非摂動的パートン分布関数（TMD）は、実験的PDFと比較してどのように異なるか？また、このフレームワーク内で解析的・数値的に計算可能か？
• RQ3 軟グルーオン放射が核物質中を通過するジェットの横運動量広がりに果たす役割は何か？また、小-x領域におけるこれらの補正をどのように再結合できるか？
• RQ4 CGC形式は、密度の高い物質における非線形ダイナミクスの文脈で、ジェットクエンチング効果の進化をどのように記述するか？
• RQ5 文献[137]と比較した際に偏極依存断面積に不一致が生じる理由は何か？また、演算の順序が最終結果にどのように影響するか？

主な発見

• CGCフレームワークは、適切な運動量領域において、HEFおよびTMD因子分解スキームの両方の結果を再現でき、既存の因子分解アプローチと一貫性があることを示した。
• CGCにおける非摂動的グルーオンの横運動量分布（TMD）は、MVおよびGBWモデルを用いて解析的・数値的に計算可能であり、実験的PDFへの依存を避ける第一原理的代替手段を提供する。
• GBWモデルにおけるフォワード重味クォーク生成断面積は、非偏極成分について文献[137]の結果と一致し、標準的枠組みにおける一貫性を確認した。
• 偏極依存項において、文献[137]と不一致が生じたが、これは演算の順序に起因する。MVモデルで最初に評価し、その後GBWに移行することで一致が得られた。
• 中間体における高エネルギー部分子の横運動量広がりは、二重主要対数近似（DLA）で導出された非線形進化方程式によって支配され、ジェットクエンチングの新しい理論的枠組みを提供する。
• このフレームワークは、CGCとジェットクエンチング現象との間の詳細な関係を確立し、密度の高い核物質における軟グルーオン放射効果の再結合記述を提供する。