[논문 리뷰] First simultaneous global QCD analysis of dihadron fragmentation functions and transversity parton distribution functions

C. Cocuzza, Andreas Metz외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 e⁺e⁻ 결합( Belle), 반경입자 깊은 비탄성 산란 및 양성자-양성자 충돌( STAR) 데이터를 사용하여, 이량자 분열 함수(DiFFs)와 핵자 입자 횡방향 분포함수(PDFs)의 동시에 가능한 세계 최초의 QCD 분석을 제시한다. 새로운 수밀도 해석을 도입하여 DiFFs를 정의하고, π⁺π⁻ DiFFs와 업/다운 쿼크 및 반입자에 대한 횡방향 분포함수를 추출하며, 라티스 QCD 텐서 전하와 단일 하드론 분열 데이터를 포함한 여러 관측량에서 일관성이 있음을 확인하여, 횡방향성과 이량자 분열의 보편적 기술이 가능함을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이량자 분열 함수(DiFFs)와 핵자 입자 횡방향 분포함수(PDFs)를 동시에 추출하는 세계 최초의 글로벌 QCD 분석을 수행한다.
• Belle 및 STAR 실험에서 최근에 확보된 단면적 및 아작스의 비대칭성 데이터를 통합된 QCD 틀 안에서 통합한다.
• 이량자 분열 함수(DiFFs)에 새로운 수밀도 해석을 적용하여, 이량자 진동 질량 $M_h$와 운동량 분율 $z$의 물리적 기대값 계산이 가능하도록 한다.
• 추출된 횡방향 분포함수와 단일 하드론 분열(TMD 및 타입-3 틀) 결과 및 라티스 QCD 텐서 전하 간의 일관성을 시험한다.
• 다양한 실험 관측량과 이론 틀 간에 횡방향성과 DiFF의 보편성 여부를 평가한다.

제안 방법

• e⁺e⁻ 결합, 반경입자 깊은 비탄성 산란, 그리고 pp 충돌에서의 이량자 관측량에 대해 주위수 콜라인어 인자분해를 사용하여 동시에 글로벌 피팅을 수행한다.
• 수밀도 해석을 유지하는 새로운 DiFF 정의를 사용하여, 이량자 진동 질량 $M_h$와 운동량 분율 $z$에 대한 물리적 기대값 계산이 가능하도록 한다.
• 횡방향 PDF에 대한 제약 조건으로, 소규모-$x$ 점 渐진 행동과 Soffer 경계를 적용하여 이론적 일관성을 확보한다.
• 반-우, 반-다운, 우, 다운 쿼크에 대한 횡방향 분포함수와 반-우, 반-다운, 우, 다운, 스트레인지, 셔츠, bottom 쿼크에 대한 DiFFs를 $ar{ ho}^0$-유사 $ ho^0$-유사 상태에 대해 추출한다.
• 다양한 중심질량 에너지($ oot s o$ 10.58–91.19 GeV)에서 PYTHIA로 생성한 데이터를 활용하여 DiFF 추출의 체계적 오차를 추정한다.
• 결과를 라티스 QCD 텐서 전하와 단일 하드론 분열 데이터와 비교하여, 다양한 틀 간의 보편성과 일관성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 e⁺e⁻, SIDIS 및 pp 충돌에서의 다양한 실험 데이터를 사용하여, 이량자 분열 함수(DiFFs)와 횡방향 PDF의 동시에 가능한 글로벌 QCD 분 析를 수행할 수 있는가?
• RQ2 DiFFs의 새로운 수밀도 해석이 이량자 운동량 분율과 진동 질량의 물리적 해석 및 계산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 추출된 횡방향 분포함수는 단일 하드론 분열(TMD 및 타입-3 틀) 결과와 일관성이 있는가?
• RQ4 추출된 DiFFs와 횡방향 PDF는 라티스 QCD 텐서 전하 계산과 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 다양한 관측량과 이론 틀 간에 횡방향성과 DiFF의 보편성은 어느 정도 성립하는가?

주요 결과

• Belle, STAR 및 기타 데이터에 대한 글로벌 피팅을 통해, $ ho^0$-유사 $ar{ ho}^0$-유사 상태에 대해 $ar{u}$, $ar{d}$, $u$, $d$ 횡방향 PDFs와 $ar{u}$, $ar{d}$, $u$, $d$, $s$, $c$, $b$ DiFFs의 동시에 가능한 세계 최초의 추출이 이루어졌다.
• 새로운 DiFF 정의는 물리적으로 의미 있는 수밀도 해석을 유지하여, 이량자 진동 질량 $M_h$와 운동량 분율 $z$에 대한 기대값 계산이 가능하게 하였다.
• 추출된 횡방향 분포함수는 Soffer 경계를 만족하며, 소규모-$x$ 점 渐진 행동을 올바르게 반영하고 있다.
• 횡방향 분포함수 결과는 TMD 및 타입-3 틀에서의 단일 하드론 분열 분 析 결과와 양호한 일치를 보였다.
• 추출된 횡방향 분포함수는 라티스 QCD 텐서 전하와 일치하여, 다양한 탐측 수단 간 횡방향성의 보편적 기술이 가능함을 지지한다.
• 향후 이량자 측정, 특히 고운동량 분율 영역에서의 측정은 DiFFs와 횡방향성에 대한 제약 조건을 크게 향상시킬 것으로 기대된다.