[논문 리뷰] Quark Asymmetries and Intrinsic Charm in Nucleons

Johan Alwall|ArXiv.org|2005. 08. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 가우시안 운동량 변동과 강입자 해 변동(예: pπ⁰, nπ⁺, ΛK)을 바탕으로 한 비퍼투베이티브(proton) 구조 모델을 제안하며, 이는 쿼크 비대칭성과 내재된 채움(intrinsic charm)을 자연스럽게 설명한다. 이 모델은 큰 x에서 EMC의 채움 구조함수 초과를 성공적으로 재현하고, 표준모형을 넘어서는 새로운 물리학 없이도 NuTeV 이상 현상을 해결할 만큼 충분한 이상한 해 비대칭성을 예측한다.

ABSTRACT

We have developed a physical model for the non-perturbative x-shape of parton density functions in the proton, based on Gaussian fluctuations in momenta, and quantum fluctuations of the proton into meson-baryon pairs. The model describes the proton structure function and gives a natural explanation of observed quark asymmetries, such as the difference between the anti-up and anti-down sea quark distributions and between the up and down valence distributions. We find an asymmetry in the momentum distribution of strange and anti-strange quarks in the nucleon, large enough to reduce the NuTeV anomaly to a level which does not give a significant indication of physics beyond the standard model. We also consider charmed fluctuations, and show that they can explain the excess at large x in the EMC F2c data.

연구 동기 및 목표

• 임의의 매개변수화를 넘어서 물리적으로 타당한 양성자 부분입자 분포함수 모델을 개발하기 위해.
• 관측된 쿼크 비대칭성, 예를 들어 $\bar{d}/\bar{u}$ 비율과 $s$-$\bar{s}$ 비대칭성을 설명하기 위해.
• 내재된 채움을 통한 큰 $x$에서의 EMC $F_2^c$ 데이터 초과를 설명하기 위해.
• 표준모형 내에서 $s$-$\bar{s}$ 비대칭성이 비제로일 경우 NuTeV 이상 현상이 설명될 수 있는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• 양성자 크기와 불확정성 원리로부터 유도된 폭을 가진 가우시안 웨이브 함수를 사용하여, 구성 쿼크 운동량 분포함수를 모델링한다.
• 강입자 변동(예: $|p\pi^0\rangle$, $|n\pi^+\rangle$, $|\Lambda K\rangle$)을 통해 해 쿼크를 기술하며, 별개의 가우시안 폭과 정규화 계수를 사용한다.
• 운동역학적 조건을 충족시키기 위해 $0 < x < 1$을 보장하면서, 몬테카를로 적분을 사용해 $x$-분포를 계산한다.
• 낮은 시작 스케일 $Q_0 = 0.75\,\text{GeV}$에서 시작하여, 다음 주요 순서(perturbative QCD) 진화를 적용한다.
• 전역 데이터 세트(구조함수 $F_2$, $\bar{d}/\bar{u}$ 비대칭성, $W^\pm$ 전하 비대칭성, 이상한 해 데이터)에 적합하여 모델 매개변수(가우시안 폭, 정규화 계수)를 결정한다.
• 내재된 채움을 $|\Lambda_C \bar{D}\rangle$ 및 $|p J/\psi\rangle$ 변동을 통해 포함하며, 정규화 계수를 $1/\Delta M_{BM}$ 또는 $1/\Delta M_{BM}^2$ 비례로 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가우시안 운동량 변동과 강입자 해 상태를 바탕으로 한 비퍼투베이티브 모델이 양성자 해 쿼크에서 관측된 $\bar{d}/\bar{u}$ 비대칭성을 설명할 수 있는가?
• RQ2 이 모델은 NuTeV 측정치와 일치하는 정도로 큰 $s$-$\bar{s}$ 운동량 비대칭성을 예측하는가? 이는 표준모형 내에서 NuTeV 이상 현상을 해결할 수 있는가?
• RQ3 이 모델은 새로운 물리학을 도입하지 않고도 EMC의 큰 $x$에서의 $F_2^c$ 데이터 초과를 설명할 수 있는가?
• RQ4 내재된 채움 분포의 형태와 정규화는 어떻게 되며, 기존 모델과 비교해 볼 때 어떠한가?
• RQ5 모델의 예측은 채움 강입자 변동의 정규화 방법에 얼마나 민감한가?

주요 결과

• 이 모델은 오직 네 개의 형태 매개변수와 세 개의 정규화 매개변수만을 사용하여 $F_2$ 구조함수와 $\bar{d}/\bar{u}$ 비대칭성 데이터를 전역적으로 적합한다.
• 예측된 $s$-$\bar{s}$ 비대칭성은 표준모형을 넘어서는 새로운 물리학이 없이도 NuTeV 이상 현상을 해결할 만큼 충분히 크다.
• 이 모델은 EMC의 큰 $x$에서의 $F_2^c$ 초과를 형태가 일치하는 내재된 채움 성분을 통해 설명하며, 최적 적합 정규화로 0.45%의 내재된 채움을 도출한다.
• 이 모델의 내재된 채움 분포는 이전의 모델과 다른 형태를 가지며, 동일한 정규화 조건에서 브로드스키 등에 의한 모델보다 EMC 데이터에 더 잘 맞는다.
• 이 모델은 $p\bar{p}$ 충돌에서 $W^\pm$ 전하 비대칭성에 대한 예측이 데이터와 일치하여, $u$와 $d$ 구성 쿼크 분포의 상대적 폭이 타당함을 검증한다.
• 변동 정규화에 대한 민감도는 낮으며, 내재된 채움 성분은 $1/\Delta M_{BM}$ 또는 $1/\Delta M_{BM}^2$ 비례로 정규화할 경우 각각 0.18%에서 0.9% 사이로 추정된다.