[논문 리뷰] Target Fragmentation in $pp$, $ep$ and $γp$ Collisions at High Energies

U. D’Alesio, Hans J. Pirner|arXiv (Cornell University)|1998. 06. 09.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 중간자 구 nuclon 모델을 사용하여 고에너지 $pp$, $ep$, 및 $ olimits p$ 충돌에서의 표적 분열 현상, 특히 정면 중성자 생성을 조사한다. 고에너지 글라우버 이론을 적용하여 흡수 보정(스리닝 효과)을 계산하고, $pp$ 및 실제 광자 생성 반응에서 재산란으로 인한 인과성 붕괴가 뚜렷한 것으로 밝혀졌다. 또한 $Q^2 > 10\,\text{GeV}^2$에서 깊은 비탄성 산란의 경우에도 약하지만 무시할 수 없는 효과가 있으며, 이는 $\gamma^*p\to nX$ 데이터로부터 파이온 구조함수 추출의 일반성에 도전한다.

ABSTRACT

We calculate target fragmentation in $p p o n X$ and $γp o n X $ reactions in the meson cloud picture of the nucleon. The $p p o n X$ reaction is used to fix the $pnπ^+$ form factor for three different models. We take into account the possible destruction of the residual neutron by the projectile. Using the form factor from the hadronic reaction we calculate photoproduction and small $x_{Bj}$ electroproduction of forward neutrons at HERA. Here the $q \bar q$ dipoles in the photon can rescatter on the residual neutron. In photoproduction we observe slightly less absorption than in the hadronic reaction. For deep inelastic events ($Q^2>10$ GeV$^2$) screening is weaker but still present at large $Q^2$. The signature for this absorptive rescattering is a shift of the $dσ/dE_n$ distribution to higher neutron energies for photofragmentation.

연구 동기 및 목표

• $pp$, $ep$, 및 $\gamma p$ 충돌에서 반구성 중성자 생성에 대한 인과성 가설의 타당성을 평가하기 위해.
• 메존 클라우드 모델과 글라우버 이론을 통해 표적 분열에서의 흡수 보정(스리닝)을 정량화하기 위해.
• $\gamma^*p\to nX$ 데이터로부터 $F_2^{\pi^+}$ 파이온 구조함수 추출에 대한 사고체 의존성 재산란의 영향을 규명하기 위해.
• 강입자($pp$), 실제 광자 생성($\gamma p$), 깊은 비탄성 산란($\gamma^*p$) 과정에서의 흡수 효과 강도를 비교하기 위해.
• 최종 상태 상호작용을 고려하여 HERA에서의 선도 중성자 생성 데이터 해석을 위한 이론적 프레임워크를 향상시키기 위해.

제안 방법

• $ap\to nX$ 반응을 기술하기 위해 한 파이온 교환 모델을 사용하며, 미분 단면적을 입자 플럭스 요인과 $a\pi^+$ 총 단면적의 곱으로 인과성 분해한다.
• 고에너지 글라우버 이론을 적용하여 $pp$, $\gamma p$, 및 $\gamma^*p$ 반응에 대한 스크리닝 보정(흡수 효과)을 계산하며, 광자 내의 $q\bar{q}$ 두루마리가 잔류 중성자에서 재산란하는 것을 모델링한다.
• $pp\to nX$에서 $pn\pi^+$ 형상 인자를 피팅하여 $R_{lc}^2 = 0.2\,\text{GeV}^{-2}$ 및 $R_c^2 = 0.05\,\text{GeV}^{-2}$를 추출한다. Tchebycheff 다항식을 사용한 스카이름 유형 형상 인자 모델을 사용한다.
• 균열 함수 $M_2(x_{\rm Bj}, Q^2, z)$를 중성자 플럭스와 파이온 구조함수 $F_2^{\pi}$의 곱으로 계산하고, Altarelli-Parisi 방정식을 통해 진화시킨다.
• $pp$, $\gamma p$, 및 $\gamma^*p$ 반응 간의 $K$-요인(흡수로 인한 억제 요인)을 비교하여 인과성 붕괴 정도를 평가한다.
• 두루마리 모형과 색 투명성 개념을 사용하여 중성자 에너지 분포의 $z$-의존성과 다양한 흡수 효과로 인한 이동을 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $pp$ 및 $\gamma p$ 충돌에서의 흡수 보정이 $\gamma^*p\to nX$에 대한 인과성 가설을 얼마나 무너뜨리는가?
• RQ2 $Q^2 > 10\,\text{GeV}^2$에서 $pp$, 실제 광자 생성, 깊은 비탄성 산란 간의 $K$-요인(스크리닝 보정)은 어떻게 다를까?
• RQ3 광자 생성 반응에서의 중성자 에너지 분포 $d\sigma/dE_n$ 분포에 대한 중성자 재산란의 정량적 영향은 강입자 반응과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 $Q^2$-진화가 균열 함수 $M_2(x_{\rm Bj}, Q^2, z)$에 대해 파이온 구조함수 진화와 고차원 흡수 효과로 설명될 수 있는가?
• RQ5 추출된 형상 인자 파rameters($R_{lc}^2$, $R_c^2$)는 HERA 데이터로부터 $F_2^{\pi^+}$ 추출의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $pp\to nX$의 $K$-요인은 $z < 0.8-0.9$에서 약 30% 정도 단위 이하로 감소하여 최종 상태 흡수로 인한 강한 인과성 붕괴를 나타낸다.
• 실제 광자 생성($\gamma p\to nX$)의 경우, $pp$ 반응보다 약간 작은 흡수 보정이 있지만 여전히 뚜렷하며, 중성자 에너지 스펙트럼에 명백한 이동을 유도한다.
• $Q^2 > 10\,\text{GeV}^2$에서 깊은 비탄성 산란의 경우, 스크리닝 효과는 약하지만 존재하며, $K$-요인이 단위에서 벗어나 있어 잔여 인과성 붕괴가 있음을 시사한다.
• $Q^2$가 높을수록 균열 함수 $M_2(x_{\rm Bj}, Q^2, z)$의 $Q^2$-진화는 주로 Altarelli-Parisi 진화에 의해 지배되며, 낮은 $Q^2$에서는 고차원 흡수 효과가 중요하다.
• $pp$ 데이터로부터 유도된 형상 인자 파rameters는 $R_{lc}^2 = 0.2\,\text{GeV}^{-2}$ 및 $R_c^2 = 0.05\,\text{GeV}^{-2}$이며, 불확실성을 줄이기 위해 향상된 $p_t$-스펙트럼 측정이 필요하다.
• 실제와 가상 광자 반응 간의 중성자 에너지 분포 이동은 서로 다른 흡수 효과로 기인하며, 이는 이 기여를 분리하는 데 가능한 실험적 서명을 제공한다.