[논문 리뷰] Nucleon sea and the five-quark components

J. C. Peng, W. C. Chang|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 양성자 내의 내재 쿼크에 대한 Brodsky-Hoyer-Peterson-Sakai (BHPS) 모델을 경량 쿼크 영역으로 확장하여, 내재 $\bar{u}$, $\bar{d}$, 및 $\bar{s}$ 쿼크가 다섯 쿼크 페르미온 상태($|uudu\bar{u}\rangle$, $|uudd\bar{d}\rangle$, $|uuds\bar{s}\rangle$)에서 기인한다는 제안을 한다. 상대론적 쿼크 모델에서 유도된 운동량 분포를 사용하고 Drell-Yan 및 반독립적 DIS 데이터와 비교함으로써, 저자들은 강한 일치를 발견하였으며, 내재 경량 쿼크 해가 존재한다는 증거를 제시하고, $\mu = 0.5$ GeV에서 각각의 다섯 쿼크 성분에 대한 확률을 0.122, 0.240, 및 0.024로 추정하였다.

ABSTRACT

We generalize the approach of Brodsky {\it et al.} for the intrinsic charm quark distribution in the nucleons to the light-quark sector involving intrinsic $\bar u, \bar d, s$ and $\bar s$ sea quarks. We compare the calculations with the existing $\bar d - \bar u$, $s + \bar s$, and $\bar u + \bar d - s -\bar s$ data. The good agreement between the theory and the data is interpreted as evidence for the existence of the intrinsic light-quark sea in the nucleons. The probabilities for the $|uudu\bar{u}>$, $|uudd\bar{d}>$ and $|uuds\bar{s}>$ Fock states are also extracted.

연구 동기 및 목표

• 내재 쿼크에 대한 BHPS 모델을 경량 쿼크 영역으로 확장하여 내재 $\bar{u}$, $\bar{d}$, 및 $\bar{s}$ 쿼크를 포함시키는 것.
• 실험 데이터와의 비교를 통해 양성자 내 내재 다섯 쿼크 페르미온 상태($|uudu\bar{u}\rangle$, $|uudd\bar{d}\rangle$, $|uuds\bar{s}\rangle$)의 존재를 검증하는 것.
• 반입자 분포 데이터를 사용하여 이러한 다섯 쿼크 성분의 정량적 확률을 추출하는 것.
• 내재 쿼크 성분의 의미를 평가하고 향후 고에너지 충돌기에서의 탐색을 안내하는 것.

제안 방법

• BHPS 모델의 상대론적 쿼크 모델 수식을 경량 쿼크 $Q\bar{Q}$ 쌍으로 일반화하여, 다섯 쿼크 페르미온 상태 확률 분포 $P(x_1,\dots,x_5) \propto \left[m_p^2 - \sum_{i=1}^5 \frac{m_i^2}{x_i}\right]^{-2}$ 를 사용한다.
• 기타 쿼크 운동량 분율에 대한 통합을 통해 반입자의 운동량 분포 $x_5$ 를 유도하여, $x_5$ 와 쿼크 질량의 함수로 $P(x_5)$ 를 도출한다.
• 무한히 큰 쿼크 질량 근사를 사용하지 않고 수치적으로 $P(x_5)$ 를 계산하기 위해 몬테카를로 샘플링을 사용하며, 분석적 근사를 검증한다.
• 이론적 $x$-분포($\bar{d}-\bar{u}$, $s+\bar{s}$, $\bar{u}+\bar{d}-s-\bar{s}$)를 Drell-Yan 및 HERMES 실험의 실험 데이터와 비교한다.
• 실험적 운동량 영역과 일치시키기 위해 $\mu = 0.3$ 및 $0.5$ GeV를 사용하여 BHPS 예측을 $Q^2 = 2.5$ GeV$^2$ 로 진화시켰다.
• 측정된 분포와 일치시키기 위해 모델에 데이터를 피팅함으로써 다섯 쿼크 상태의 확률을 추출하였으며, 정규화를 조정하여 측정된 분포와 일치시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내재 $\bar{u}$, $\bar{d}$, 및 $\bar{s}$ 쿼크가 다섯 쿼크 페르미온 상태를 통해 양성자 내에 존재하는가?
• RQ2 내재 쿼크에 대한 BHPS 모델이 유사하거나 더 큰 확률을 가진 경량 쿼크 $Q\bar{Q}$ 성분으로 일반화될 수 있는가?
• RQ3 측정된 $\bar{d}-\bar{u}$, $s+\bar{s}$, 및 $\bar{u}+\bar{d}-s-\bar{s}$ 의 $x$-분포가 다섯 쿼크 페르미온 상태 모델의 예측과 일치하는가?
• RQ4 양성자 내 $|uudu\bar{u}\rangle$, $|uudd\bar{d}\rangle$, 및 $|uuds\bar{s}\rangle$ 페르미온 상태의 확률는 얼마인가?
• RQ5 내재 쿼크 성분의 확률는 $|uudc\bar{c}\rangle$ 상태 기반으로 추정되며, 어디에서 가장 좋은 탐색 창을 얻을 수 있는가?

주요 결과

• 측정된 $\bar{d}-\bar{u}$, $s+\bar{s}$, 및 $\bar{u}+\bar{d}-s-\bar{s}$ 의 $x$-분포는 이론적 예측과 정성적으로 일치하며, 내재 경량 쿼크 해의 존재를 뒷받침한다.
• $|uudu\bar{u}\rangle$ 페르미온 상태의 확률는 $\mu = 0.5$ GeV에서 $\mathcal{P}^{u\bar{u}}_5 = 0.122$ 로 추정되었으며, $\mu = 0.3$ GeV에서 $0.162$ 로 증가한다.
• $|uudd\bar{d}\rangle$ 상태의 확률는 $\mu = 0.5$ GeV에서 $\mathcal{P}^{d\bar{d}}_5 = 0.240$ 로 추정되었으며, $\mu = 0.3$ GeV에서 $0.280$ 으로 증가한다.
• $|uuds\bar{s}\rangle$ 상태의 확률는 $\mu = 0.5$ GeV에서 $\mathcal{P}^{s\bar{s}}_5 = 0.024$ 로 추정되었으며, $\mu = 0.3$ GeV에서 $0.029$ 로 증가한다.
• 세 가지 경량 쿼크 다섯 쿼크 상태의 총합 확률는 약 40%이며, 양성자의 페르미온 상태 분해에 있어 상당한 기여를 함을 시사한다.
• 내재 쿼크 성분의 확률는 $\mathcal{P}^{c\bar{c}}_5 \sim 0.003$ 로 추정되었으며, 이는 이전 추정치보다 훨씬 낮으며, $Q^2$ 진화에 따라 $0.1 < x < 0.4$ 의 영역에서 탐색 창이 존재할 것으로 제안한다.