[논문 리뷰] Heavy Quark Production in CC and NC DIS and The Structure of Real and Virtual Photons in NLO QCD

I. Schienbein|ArXiv.org|2001. 10. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 7인용 수 3

한 줄 요약

이 학위논문은 중성미온 및 전하를 가진 채널의 깊은 비탄성 산란(DIS)에서의 레어 쿼크 생성에 대해 다음 주된 순서(NLO) QCD 분석을 제시하며, 캄프 분열과 진짜 및 가상의 광자들의 구조를 포함한다. 이 논문은 가상 광자에 대한 정밀한 파arton 분포 함수를 유도하고 $ep$ 데이터와 비교하여 검증하며, 고에너지 DIS 실험에서 QCD 개선된 파톤 내용이 관측 가능하다는 것을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• QCD의 주요 순서를 초월하여 중성미온 및 전하를 가진 채널의 깊은 비탄성 산란(CC 및 NC DIS)에서의 레어 쿼크 생성에 대한 이론적 프레임워크를 확장하기 위해.
• 특히 변수 플레이버 스킴에서 NLO에서의 레어 쿼크 질량과 글루온 융합의 역할을 깊이 있는 산란 구조 함수에서 조사하기 위해.
• NLO QCD 계산을 사용하여 반-포괄적 DIS에서 캄프 분열 함수를 모델링하기 위해.
• 진짜 및 가상 광자에 대한 복사적으로 생성된 파톤 모델을 개발하기 위해, $Q^2$-진화 및 경계 조건을 포함하기 위해.
• QCD-재정규화 그룹으로 개선된 가상 광자들의 파톤 내용이 고에너지 $ep$ 데이터에서 관측 가능한지 테스트하기 위해.

제안 방법

• CC 및 NC DIS에서의 구조 함수에 대한 레어 쿼크 기여를 계산하기 위해 $\mathcal{O}(\alpha_s)$ 수준에서 ACOT(반-쿼크 임계) 스킴을 적용한다.
• $\overline{\text{MS}}$ 스킴을 NLO 계산에 사용하고, 파톤 분포 함수의 $Q^2$-진화를 위해 해석적 멜린 역변환을 수행한다.
• 질량이 있는 쿼크 과정에서 실 및 가상의 글루온 방출에 대한 감소 항을 유도하여 적외선 특이성을 다룬다.
• 진짜 및 가상 광자에 대한 '점입자' 파톤 분포의 파arametrization을 $s = \ln[\ln(Q^2/\Lambda^2)/\ln(\mu^2/\Lambda^2)]$를 사용하여 구성한다.
• 효과 구조 함수 $F_{\text{eff}}$를 사용하여 가상 광자의 구조 함수에 대한 이론적 예측을 $e^+e^-$ 및 $ep$ 데이터와 비교한다.
• 구성 요소 쿼크 모델을 사용하여 광자 구조 계산의 입력으로 파이온 파톤 밀도를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NLO QCD에서 레어 쿼크 기여는 중성 및 전하를 가진 채널의 깊은 비탄성 산란 구조 함수에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 반-포괄적 캄프 생성에서 글루온 융합 및 가상 보정의 역할은 무엇인가?
• RQ3 QCD로 개선된 가상 광자들의 파톤 내용은 고에너지 $ep$ 산란 실험에서 관측 가능한가?
• RQ4 NLO 프레임워크에서 진짜 및 가상 광자의 파톤 분포 함수는 $Q^2$에 따라 어떻게 진화하는가?
• RQ5 가로 및 $Q^2$ 범위가 넓은 실험 데이터를 가장 잘 묘사하는 가상 광자의 파톤 분포 파arametrization은 무엇인가?

주요 결과

• CC 및 NC DIS에서의 레어 쿼크 구조 함수의 NLO 계산은 특히 낮은 $x$에서 실 및 가상 글루온 방출로 인한 상당한 보정을 보여준다.
• 반-포괄적 DIS에서의 캄프 분열 함수는 NLO 프레임워크로 잘 묘사되며, $u$, $d$, $g$-형 파톤에 대한 명시적 파arametrization이 제공된다.
• 가상 광자의 파톤 내용은 QCD 진화를 통해 복사적으로 생성되며, 식 (D.19)–(D.23)에서 제시된 $s$-파arametrization을 통해 $Q^2$-의존성이 정확히 기록된다.
• 가상 광자의 효과 구조 함수 $F_{\text{eff}}$는 $ep$ 데이터와 양호한 일치를 보이며, QCD로 개선된 파톤 내용의 관측 가능성을 지지한다.
• '점입자' 파톤 분포의 파arametrization은 $0.5 \lesssim Q^2 \lesssim 10^5$ GeV$^2$ 및 $10^{-5} \lesssim x < 1$ 범위에서 유효하며, 중심질량 에너지 $\sqrt{s}$에 따라 계수의 의존성이 있다.
• 모델은 작은 $x$에서 가상 광자 구조 함수의 강한 상승을 예측하며, 이는 $e^+e^-$ 및 $ep$ 실험에서 관측된 $\sim \ln(1/x)^{\text{power}}$ 행동과 일치한다.