[논문 리뷰] Nucleon Transversity Distribution at the Physical Pion Mass from Lattice QCD

Yusheng Liu, Jiunn-Wei Chen외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 11.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions인용 수 29

한 줄 요약

이 연구는 물리적 파이온 질량에서 대칭성 없는 쿼크 전단분포를 라티스 QCD로 계산한 최초의 결과이며, 대량운동량효과이론(LaMET)을 사용한다. 높은 통계량, 큰 프로톤 운동량(3.0 GeV), 비파erturbative 재규격화를 RI/MOM 체계에서 수행함으로써, 글로벌 피팅보다 더 높은 정밀도를 확보하였고, 해의 쿼크 전단분포 비대칭성이 0과 일치함을 확인하여 글로벌 분석에서의 맛 대칭성 가정을 지지한다.

ABSTRACT

We report a state-of-the-art lattice calculation of the isovector quark transversity distribution of the proton at the physical pion mass. Within the framework of large-momentum effective theory (LaMET), we compute the transversity quasi-distributions using clover valence fermions on 2+1+1-flavor (up/down, strange, charm) HISQ-lattice configurations with boosted proton momenta as large as 3.0~GeV. The relevant lattice matrix elements are nonperturbatively renormalized in regularization-independent momentum-subtraction (RI/MOM) scheme and systematically matched to the physical transversity distribution. With high statistics, large proton momenta and meticulous control of excited-state contamination, we provide the best theoretical prediction for the large-$x$ isovector quark transversity distribution, with better precision than the most recent global analyses of experimental data. Our result also shows that the sea quark asymmetry in the proton transversity distribution is consistent with zero, which has been assumed in all current global analyses.

연구 동기 및 목표

• 물리적 파이온 질량에서 라티스 QCD의 기본 원리에 따라 프로톤의 대칭성 없는 쿼크 전단분포 함수(PDF)를 계산하기 위해.
• 실험 데이터가 부족하고 글로벌 분석에서 모델 가정에 크게 의존하는 전단분포 PDF의 큰 x 영역에서의 불확실성을 줄이기 위해.
• 글로벌 분석에서 오랫동안 사용된 가정인 반입자 해의 전단분포가 맛 대칭성(즉, 비대칭성이 0)임을 직접적으로 라티스 QCD로 계산하여 검증하기 위해.
• 고통계량과 큰 운동량을 가진 프로톤 상태를 통해 흥분 상태 오염과 체계적 오차를 제어함으로써, 파arton 분포 계산의 정밀도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 대량운동량효과이론(LaMET)을 사용하여, 큰 운동량(Pz = 3.0 GeV)을 가진 프로톤 상태의 라티스 행렬원소에서 전단분포 준-PDF를 계산한다.
• 물리적 파이온 질량과 클로버 바렌스 페르미온을 사용한 2+1+1-플레버 HISQ 라티스를 활용하여 전단분포 분포의 전체 운동량 의존성을 포괄한다.
• 재규격화 효과의 체계적 제어를 위해, 정규화에 독립적인 운동량 감소(RI/MOM) 체계에서 비파erturbative 재규격화를 수행한다.
• LaMET 프레임워크에서 유도된 파워 시리즈 재규격화 계수를 사용하여 준-PDF를 물리적 전단분포 PDF로 매칭한다.
• 관측 함수의 흥진 상태 오염을 억제하기 위해 다단계, 다소스-다수거 분석 기법을 적용한다.
• 유한 체적, 라티스 간격, 정규화 오차 등의 체계적 오차를 추정하고 제곱근 합산하여 신뢰할 수 있는 최종 결과를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물리적 파이온 질량에서 프로톤의 대칭성 없는 전단분포 PDF는 무엇이며, 라티스 QCD로 얼마나 정밀하게 계산할 수 있는가?
• RQ2 라티스 QCD 계산은 글로벌 피팅에서 사용된 맛 대칭성 가정(즉, 반입자 해의 전단분포 비대칭성이 0임)을 지지하는가?
• RQ3 유한 체적, 라티스 간격, 흥진 상태 오염 등의 체계적 영향이 큰 x 영역에서 최종 전단분포 PDF에 어떻게 작용하는가?
• RQ4 프로톤 운동량 선택(Pz = 3.0 GeV)이 이전의 낮은 운동량 계산과 비교해 전단분포 추출의 신뢰성과 정밀도에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 대칭성 없는 전단분포 PDF는 최근의 글로벌 피팅보다 훨씬 더 높은 정밀도로 추출되었으며, 특히 큰 x 영역에서 두드러진다.
• 전체 x 범위(0 < x < 1)에서 양의 분포를 보이며, 음수 또는 비물리적인 행동의 징후가 전혀 없음을 확인하였다.
• 해의 쿼크 전단분포 비대칭성이 0과 일치함을 확인하여, 글로벌 피팅에서 사용된 맛 대칭성 가정을 직접적으로 지지하는 첫 번째 라티스 QCD 증거를 제공한다.
• 총 체계적 오차는 5.4%로, 비파워 시리즈 재규격화 절차에서 재규격화 스케일 의존성에 의해 주로 결정된다.
• 결과는 JAM17 글로벌 피팅과 2σ 이내에서 일치하며, LMPSS17 제약 피팅과는 놀라울 정도로 높은 일치를 보였지만, 오차는 훨씬 작다.
• 낮은 운동량(1.4 GeV)에서 ETMC 계산과의 괴리점은 푸리에 변환에서 운동량 절단 오차에 기인한 것으로 추정되며, 더 높은 운동량이 반입자 영역에서 정확도를 향상시킨다는 것을 시사한다.