[논문 리뷰] Quantum Chromodynamics at small Bjorken-x

Pieter Taels|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 10.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 3

한 줄 요약

이 학위논문은 고에너지 QCD의 두 핵심 문제인 양성자-핵 충돌에서의 전방 중량 쿼크 생성과 쿼크-글루온 플라즈마에서의 제트 끄는 현상에 대해 컬러 글라스 컨덴세이트(CGC) 프레임워크를 적용한다. CGC 내에서 단면적을 유도함으로써, 고에너지 인식화(HEF) 및 TMD 인식화 방법론의 결과들을 재현하면서도, 비퍼트루바티브 파arton 분포의 해석적·수치적 모델링이 가능해진다. 또한, 매질 내에서 횡방향 운동량 확산에 대한 주요 로그 보정을 재수렴하는 프레임워크를 개발하여 이중 주요 로그 근사에서 비선형 진화 방정식을 도출한다.

ABSTRACT

With the advent of very powerful particle accelerators, such as RHIC and the LHC, it becomes possible to study QCD in high energy collisions, in which the gluon content of the proton or nucleus is probed and its density becomes often large enough for nonlinear effects to play a role. This small-x regime of QCD is well described by an effective theory known as the Color Glass Condensate (CGC). In this thesis, we introduce the CGC and apply it to two different problems. First, we use the CGC to study forward heavy-quark production in pA collisions. When the quarks are nearly back-to-back, the CGC result coincides with the one in the TMD factorization approach. This allows us to extract the small-x limit of the Weizsäcker-Williams gluon distribution, as well as the dipole distribution and one extra gluon TMD. Each of these gluon TMDs is accompanied by a partner, which couples via the quark mass and which describes the linearly polarized gluon content of the unpolarized nucleus. We calculate the six resulting gluon TMDs analytically in the MV model, and evolve them in rapidity using a numerical implementation of JIMWLK. The second problem is situated within heavy-ion physics. Jets, produced in the scattering of two nuclei, travel through the Quark-Gluon Plasma (QGP) before reaching the detector, and are attenuated as a result of their interaction with this medium. This phenomenon, known as jet quenching, is one of the main probes to investigate the QGP. We focus on the transverse momentum broadening of a hard particle traveling through a nuclear medium, and employ small-x techniques to attempt to resum the leading logarithmic corrections due to soft gluon radiation. Although, ultimately, we can only solve the resulting in-medium evolution equation to DLA accuracy, we do present a concise framework for the problem, and draw a detailed comparison with the CGC and with the literature.

연구 동기 및 목표

• 양성자-핵 충돌에서의 전방 중량 쿼크 생성을 표준 인식화 방법론의 대안으로서 CGC 프레임워크를 사용하여 연구하기 위해.
• 적절한 극한에서 고에너지 인식화(HEF) 및 횡방향 운동량 의존성(TMD) 인식화의 결과를 재현하는 통합 이론적 기술을 제공하기 위해.
• 실험적 입력에 의존하지 않고 CGC 내에서 비퍼트루바티브 파arton 분포함수를 해석적·수치적으로 모델링하기 위해.
• 에너지가 높은 제트가 핵물질 매질을 통과할 때의 횡방향 운동량 확산을 연구하며, 부드러운 글루온 방출에 의한 복사 보정에 초점을 맞추기 위해.
• 소-x QCD 기법과 CGC를 사용하여 쿼크-글루온 플라즈마에서의 제트 끄는 현상에 대한 이론적 프레임워크를 개발하고, 주요 로그 보정을 재수렴하기 위해.

제안 방법

• 고에너지, 고글루온 밀도 상태의 QCD를 기술하기 위해 CGC 효과 이론을 사용하며, 특히 양성자 및 핵 충돌에서의 적용에 중점을 둔다.
• 디폴 및 색 디폴과 유사한 상호작용을 포함하여 $pA$ 충돌에서의 전방 중량 쿼크 쌍 생성 단면적을 CGC 형식으로 유도한다.
• 포화 스케일에 대해 MV 및 GBW 모델을 적용하여 글루온 횡방향 운동량 분포를 계산하고, 이들이 단면적에 미치는 영향을 분석한다.
• 부드러운 글루온 복사에 기인한 주요 로그 보정을 재수렴함으로써 매질 내 횡방향 운동량 확산에 대한 비선형 진화 방정식을 수립한다.
• 결과로 도출된 매질 내 진화 방정식을 이중 주요 로그 근사(DLA)에서 해석하여 제트 끄는 현상에 대한 정량적 예측이 가능하게 한다.
• 유도된 표현식을 문헌에서 알려진 결과들과 비교하여, HEF 및 TMD 극한에서의 일관성을 확인하고, 극성 의존 항에서의 이질성을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CGC 프레임워크는 전방 중량 쿼크 생성에서 고에너지 인식화(HEF) 및 횡방향 운동량 의존성(TMD) 인식화의 결과를 적절한 운동역학적 극한에서 재현할 수 있는가?
• RQ2 CGC 모델 내의 비퍼트루바티브 파arton 분포함수는 실험적 PDF와 비교해 볼 때 어떻게 되며, 이들은 이 프레임워크 내에서 해석적·수치적으로 계산될 수 있는가?
• RQ3 부드러운 글루온 복사의 역할은 핵물질 매질를 통과하는 제트의 횡방향 운동량 확산에 어떤 영향을 미치며, 이러한 보정은 소-x 영역에서 어떻게 재수렴할 수 있는가?
• RQ4 CGC 형식은 밀도가 높은 물질 내 비선형 역학을 고려할 때 제트 끄는 현상의 진화를 어떻게 기술하는가?
• RQ5 이전 문헌과 비교할 때 극성 의존 단면적에서 이질성이 발생하는 이유는 무엇이며, 연산의 순서는 최종 결과에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• CGC 프레임워크는 적절한 운동역학적 극한에서 HEF 및 TMD 인식화 방법론의 결과를 성공적으로 재현하여 기존의 인식화 접근법과의 일관성을 입증한다.
• CGC 내에서 비퍼트루바티브 글루온 횡방향 운동량 분포(TMD)는 MV 및 GBW 모델을 사용하여 해석적·수치적으로 계산 가능하며, 실험적 PDF에 대한 제1원리적 대안을 제공한다.
• GBW 모델에서의 전방 중량 쿼크 생성 단면적은 비극성 성분에서 Ref. [137]의 결과와 일치하여 표준 프레임워크 내에서의 일관성을 확인한다.
• MV 모델을 먼저 평가한 후 GBW로 전이하면 일치하는 바, Ref. [137]과의 비교에서 극성 의존 항에서의 이질성이 발생하는 원인은 운영 순서에 기인한다.
• 매질 내에서 경량 파arton의 횡방향 운동량 확산은 이중 주요 로그 근사(DLA)에서 유도된 비선형 진화 방정식에 의해 지배되며, 제트 끄는 현상에 대한 새로운 이론적 프레임워크를 제공한다.
• 이 프레임워크는 CGC와 제트 끄는 현상 간의 상세한 연결 고리를 구축하여, 고밀도 핵물질 내에서의 부드러운 글루온 복사 효과를 재수렴한 기술을 제공한다.