[論文レビュー] Toward a determination of the shortest radiation length in nature

R. B. Neufeld, Ivan Vitev+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、次-leading orderの摂動的QCD効果と核物質中での修正を組み合わせることで、陽子-核子衝突における微分的Drell-Yan截面を計算し、固定標的にて初期状態のパートンエネルギー損失を調べられることを示している。また、冷核物質の停止力の正確な決定が可能であり、自然界で最も短い放射長さ $X_0 \sim 10^{-13}$~cm を確認できる可能性がある。高フェルミン $x_F$ におけるDrell-Yan截面の測定可能な減衰を予測しており、低エネルギー加速器実験では核シャドウイングとエネルギー損失の効果を明確に区別できる。

ABSTRACT

We calculate the differential Drell-Yan production cross section in proton-nucleus collisions by including both next-to-leading order perturbative effects and effects of the nuclear medium. We demonstrate that dilepton production in fixed target experiments is an excellent tool to study initial-state parton energy loss in large nuclei and to accurately determine the stopping power of cold nuclear matter. We provide theoretical predictions for the attenuation of the Drell-Yan cross section at large values of Feynman $x_F$ and show that for low proton beam energies experimental measurements at Fermilab's E906 can clearly distinguish between nuclear shadowing and energy loss effects. If confirmed by data, our results will help establish the shortest radiation length in nature $X_0 \sim 10^{-13}$~cm.

研究の動機と目的

• 固定標的実験を用いて、冷核物質内における初期状態のパートンエネルギー損失を調査すること。
• 固定標的実験において、核シャドウイングとパートンエネルギー損失の効果を区別すること。
• 高フェルミン $x_F$ におけるDrell-Yan截面の減衰について理論的予測を提供すること。
• 低エネルギー陽子ビームを用いた実験によって、冷核物質の停止力を決定可能にする。
• もしデータで確認された場合、自然界における最短の放射長さ $X_0 \sim 10^{-13}$~cm を確立するための貢献を行うこと。

提案手法

• 摂動的QCDの次-leading orderで微分的Drell-Yan生成截面を計算する。
• 陽子-核子衝突の初期状態におけるパートンエネルギー損失を用いて、核物質中効果を組み込む。
• エネルギー損失を反映させるために、冷核内のパートン分布関数の修正をモデル化する。
• 理論的予測を用いて、高 $x_F$ における観測可能な截面減衰をシミュレートする。
• エネルギー損失と核シャドウイングの予測を比較し、固定標的データにおける区別可能なシグネチャーを同定する。
• フェルミラブのE906実験に結果を適用し、低エネルギー陽子ビームでの実験的妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定標的実験における二重レンズ生成は、大スケールの核においてパートンエネルギー損失と核シャドウイングを区別できるか？
• RQ2 高フェルミン $x_F$ における初期状態のパートンエネルギー損失は、Drell-Yan截面にどのように影響を与えるか？
• RQ3 フェルミラブのE906で低エネルギー陽子ビームを用いた実験は、エネルギー損失とシャドウイングの寄与をどの程度解像できるか？
• RQ4 これらの条件下で、冷核物質内におけるDrell-Yan截面の減衰について理論的予測は何か？
• RQ5 これらの予測が実験的に確認された場合、自然界における最短の放射長さ $X_0 \sim 10^{-13}$~cm を確立できるか？

主な発見

• 初期状態のパートンエネルギー損失により、冷核物質内では高フェルミン $x_F$ におけるDrell-Yan截面に顕著な減衰が生じる。
• 低エネルギー陽子ビームでは、フェルミラブのE906での測定により、核シャドウイングとエネルギー損失の効果を明確に区別できる。
• 理論的予測は、二重レンズ生成が冷核物質の停止力の感受性なプローブであることを示している。
• 次-leading orderの摂動的QCD効果を組み込むことで、核衝突における截面予測の精度が向上する。
• もしデータで確認された場合、観測された減衰パターンは自然界における最短の放射長さ $X_0 \sim 10^{-13}$~cm を確認する手がかりとなる。
• 本研究は、固定標的Drell-Yan測定を用いて、冷核物質内の放射長さスケールを実験的に決定するための実現可能な道筋を確立した。