[논문 리뷰] Probing the gluonic structure of the nucleon through quarkonium production

S. Joosten|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 22.

Superconducting Materials and Applications참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전자-핵합성 충돌에서 쿼크onium 생성을 통해 양성자의 글루온 구조를 탐구하는 것을 제안한다. 조지프슨 라이트의 SoLID 실험에서의 임계값 근처 $J/\psi$ 생성은 QCD의 추적 이상성과 양성자 질량 기원을 정밀 측정할 수 있게 하며, 전자-이온 충돌기(EIC)에서 고에너지 $J/\psi$ 및 $\Upsilon$ 전자생성은 글루온의 3차원 톰오그램 이미징과 이론적 불확실성이 감소한 글루온 반경 측정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Heavy quarkonium production will provide for novel opportunities to study the gluonic structure of the nucleon in the near future. Near threshold quarkonium production allows for direct experimental access of the dynamic origin of the nucleon mass as well as the nature of the color Van der Waals force, while quarkonium production at high energies can be used to create a full three-dimensional tomographic image of the gluons inside the nucleon, constraining the gluonic radius of the nucleon.

연구 동기 및 목표

• 임계값 근처 $J/\psi$ 전자 및 광자생성 실험을 통해 양성자 질량의 핵심 기여 요소인 QCD 추적 이상성을 실험적으로 제약하는 것.
• 쿼크onium과 양성자 사이의 색 전자기력의 성격을 조사하여 $J/\psi$-양성자 공명 상태와 같은 결합 상태의 존재 가능성을 탐색하는 것.
• 고에너지에서의 배타적 $J/\psi$ 및 $\Upsilon$ 전자생성을 통해 양성자 내부 글루온의 3차원 톰오그램 이미징을 실현하는 것.
• 조지프슨 라이트의 $J/\psi$ 데이터와 EIC의 $\Upsilon$ 데이터를 비교함으로써 글루온 구조 측정의 이론적 불확실성을 줄이는 것.
• 다양한 쿼크onium 시스템과 에너지 영역의 데이터를 융합하여 일반화된 구입분포(GPD)의 보편성을 시험하는 것.

제안 방법

• 조지프슨 라이트의 SoLID 검출기에서 임계값 근처의 배타적 $J/\psi$ 전자생성을 활용하여 $\gamma p \to J/\psi p$ 단면적을 통해 추적 이상성을 접근하는 것.
• 전방-후방 비대칭성을 $\gamma p \to e^+e^-p$ 반응에서 새로운 관측량으로 적용하여 $J/\psi$-양성자 산란 진폭과 결합 에너지를 제약하는 것.
• 고에너지에서의 $\Upsilon$ 전자생성을 통해 링크스-모멘텀-$t$ 분포의 푸리에 변환을 통해 글루온 일반화된 구입분포(GPD)를 추출하는 것.
• 로그우도 분석을 수행하여 $J/\psi p$ 생성에서 $P_c$ 펜타쿼크 공명의 감도를 평가하며, 이론적으로 $P_c$–$J/\psi$–$p$ 결합 상수를 5%로 가정한다.
• 조지프슨 라이트의 $J/\psi$ 데이터와 EIC의 $\Upsilon$ 데이터를 융합하여 글루온 GPD를 상호 검증하고 고차항 QCD 보정의 불확실성을 줄이는 것.
• 격자 QCD와 현상학적 분산 프레임워크를 사용하여 색 전자기력의 모의를 수행하고 쿼크onium-양성자 시스템의 결합 에너지를 예측하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QCD 추적 이상성은 양성자 질량에 어떤 기여를 하는가? 그리고 임계값 근처의 $J/\psi$ 생성을 통해 실험적으로 측정될 수 있는가?
• RQ2 쿼크onium과 양성자 사이의 색 전자기력의 강도와 성격은 무엇이며, 이는 $J/\psi$-양성자 결합 상태의 존재를 지지하는가?
• RQ3 고에너지에서의 배타적 $J/\psi$ 및 $\Upsilon$ 전자생성은 양성자 내부 글루온 구조의 3차원 톰오그램 이미징을 가능하게 하는가?
• RQ4 고차항 QCD 보정은 글루온 GPD 추출에 어떤 영향을 미치며, EIC에서의 $\Upsilon$ 생성은 $J/\psi$ 측정에 비해 이러한 불확실성을 줄일 수 있는가?
• RQ5 LHCb의 펜타쿼크는 $J/\psi$-양성자 상호작용을 탐색하는 데 어떤 역할을 하는가? 그리고 그 성질은 색 전자기력으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 조지프슨 라이트의 SoLID 실험은 총 통합 루미노시티 43.2 ab$^{-1}$를 확보함으로써, 임계값 근처의 $J/\psi$ 전자 및 광자생성을 통해 QCD 추적 이상성을 정밀하게 제약할 수 있을 것으로 예측된다.
• 전방-후방 비대칭성이 $\gamma p \to e^+e^-p$ 반응에서 $J/\psi$-양성자 산란 진폭과 결합 에너지를 측정하는 데 새로운 관측량으로 제안되며, 예측된 결합 에너지는 $2.7 \pm 0.3$ MeV이다.
• EIC에서의 배타적 $\Upsilon$ 전자생성은 100 fb$^{-1}$ 루미노시티와 10 GeV 전자 빔에 100 GeV 양성자 빔을 사용하여 글루온 GPD를 고정밀도로 추출할 것으로 예측된다.
• $\Upsilon$ GPD 측정은 $b$-쿼크 질량이 크기 때문에 $J/\psi$에 비해 고차항 보정이 억제되어 이론적 불확실성이 크게 감소할 것으로 기대된다.
• $\Upsilon$ 생성에서의 $t$-분포의 푸리에 변환을 통해 글루온 반경을 추출할 수 있으며, 영향 매개변수 $b_T$-의존성이 고 $b_T$ 영역에서 중요한 감도를 제공한다.
• $J/\psi$와 $\Upsilon$ 데이터를 융합하면 글루온 GPD의 보편성을 테스트할 수 있으며, $\Upsilon$ 데이터는 $J/\psi$ 결과의 낮은 이론적 불확실성 기준점으로 기능할 것이다.