[논문 리뷰] Nuclear Effects in the Deuteron and Global PDF Fits

S. Alekhin, S. Kulagin외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 디우터론에서의 핵 보정을 결정하기 위해 깊은 비탄성 산란 및 충돌기 데이터에 대한 글로벌 피팅을 제시하며, 부분분포함수(PDF)의 비정상 상태 수정에 초점을 맞춘다. 이 연구는 다양한 핵에서 비정상 상태 함수 δf의 보편성을 확인하며, 디우터론과 더 무거운 핵에서의 결과가 일치하여, 빅젠-엑스가 큰 영역에서 d-쿼크 분포의 불확도를 크게 감소시킨다.

ABSTRACT

We present a detailed study of nuclear corrections in the deuteron (D) from an analysis of data from charged-lepton deep-inelastic scattering (DIS) off proton and D, as well as from dimuon pair production in pp and pD collisions and $W^\pm$ and the $Z$ boson production at pp (p$ m \bar p$) colliders. In particular, we discuss the determination of the off-shell function describing the modification of parton distributions (PDF) in bound nucleons in the context of global PDF fits. Our results are consistent with the ones obtained earlier from the study of the ratios of DIS structure functions $F_2^A/F_2^D$ in nuclei with $A\geq4$, confirming the universality of the off-shell function. We also discuss the sensitivity to various models of the deuteron wave function and the impact of nuclear corrections on the determination of the $d$ quark distribution.

연구 동기 및 목표

• 프로톤과 디우터론의 깊은 비탄성 산란(DIS), 딤유온 생성, 그리고 pp 및 pD 충돌에서의 W/Z 보손 생성 데이터를 통합한 글로벌 피팅을 통해 디우터론에서의 핵 보정을 결정한다.
• 디우터론 파동함수 모델이 부분분포함수(PDF)에서의 비정상 상태 함수 δf 추출에 미치는 영향을 평가한다.
• 디우터론과 더 무거운 핵(A ≥ 4) 데이터를 비교하여 비정상 상태 함수 δf의 보편성을 검증한다.
• 정밀한 디우터론 데이터와 핵 효과의 개선된 모델링을 통합하여, 큰 비요르켄-x 영역에서 d-쿼크 분포의 체계적 불확도를 감소시킨다.
• 이전 연구에서의 불일치를 해결하기 위해 분석 프레임워크에 표적 질량 보정과 고-twist 효과를 포함한다.

제안 방법

• 프로톤 및 디우터론 타겟에서의 깊은 비탄성 산란(DIS) 데이터, 딤유온 생성, 그리고 pp 및 pD 충돌에서의 W±/Z 보손 생성 데이터를 통합한 글로벌 피팅 프레임워크를 사용한다.
• 표적 질량 보정을 포함한, 디우터론 파동함수 Ψ_D(p)와 결합된 고립된 양성자 구조함수 F₂^N(x′, Q², p²)의 커플링을 통해 디우터론의 구조함수 F₂^D를 모델링한다.
• 핵 매질 내에서 양성자 PDF의 수정을 기술하기 위해 비정상 상태 함수 δf(x, Q²)를 도입하며, 이는 F₂^LT에 대한 p²에 대한 로그 미분으로 유도된다.
• 현상학적 고-twist 보정 H₂(x)/Q²를 사용하고, 주위-twist 항에서 M² → p²로의 치환을 통해 표적 질량 보정을 포함한다.
• 다양한 디우터론 파동함수(Paris, Bonn, AV18, WJC-1, WJC-2)를 비교하여 모델 의존도를 정량화한다.
• 더 무거운 핵(A ≥ 4)에서 독립적으로 추출된 결과와의 비교를 통해 비정상 상태 함수 δf의 타당성을 검증하며, 일관성과 보편성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디우터론에서의 핵 보정은 큰 비요르켄-x 영역에서 중성자 구조함수와 d-쿼크 PDF 추출에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비정상 상태 함수 δf는 디우터론과 더 무거운 타겟을 포함한 다양한 핵에서 얼마나 보편적인가?
• RQ3 다양한 디우터론 파동함수 모델은 δf의 결정과 F₂^D/F₂^N 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 표적 질량 보정과 고-twist 항을 포함함으로써 비정상 상태 함수와 PDF 추출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 BCDMS 디우터론 데이터 정규화의 체계적 불확도는 최종 δf 및 d-쿼크 분포 결정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 글로벌 PDF 피팅을 통해 추출한 비정상 상태 함수 δf는 더 무거운 핵(A ≥ 4)에서의 비율 F₂^A/F₂^B를 통한 보다 정밀한 추정과 일치하여, 그 보편성을 확인한다.
• 디우터론 파동함수 모델에 기인한 δf의 불확도는 F₂^D/F₂^N 비율에서 크게 감소하여, 이 비율이 모델 의존도에 대해 강인함을 시사한다.
• BCDMS 디우터론 데이터의 정규화는 δf와 F₂^D/F₂^N 비율에 상당한 체계적 불확도를 유발하며, 이는 불확도 밴드에 정량적으로 포함되었다.
• 비정상 상태 함수 δf에 표적 질량 보정을 포함함으로써, 이전 연구에서 무시되었던 고x 영역에서의 보정이 크게 발생한다.
• 보편적인 비정상 상태 함수 δf는 평균 가상성분 v̄ = -0.045를 가정할 경우, 디우터론에서 양성자 코어 반경이 약 2% 증가하는 효과를 암시한다.
• 표적 질량 보정과 고-twist 항을 고려함으로써 이전 분석에서 생략된 요소들을 반영함으로써, 이전 연구와의 불일치를 해결하였다.