[論文レビュー] Accessing transversity GPDs in neutrino-production of a charmed meson

B. Pire, L. Szymanowski|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、ニュートリノ誘発のcharm中間子の排他的生成（$\nu_l N \to l^- D^+ N'$）を通じて、ちるアルッド性を持つクォークの構造関数として難解なトランスバーシティ一般化部分子分布（GPD）をアクセスする新規な手法を提案する。摂動的因子化と $m_c/Q$ まで考慮したハード散乱振幅の計算を用い、微分断面積の方位角依存性、特に $\langle \cos\varphi \rangle$ と $\langle \sin\varphi \rangle$ が、トランスバーシティGPD $H_T^\phi$、$\tilde{H}_T^\phi$、$E_T^\phi$、$\bar{E}_T^\phi$ を直接探査できることを示し、高エネルギーニュートリノ実験における核子の3次元トモグラフィーの新たな道筋を提供する。

ABSTRACT

We demonstrate that the transversity chiral odd generalized parton distributions can be accessed through the azimuthal dependence of the nu N -> l D N' or nubar N -> l D N' differential cross sections, in the framework of the colinear QCD approach, where GPDs factorize from perturbatively calculable coefficient functions calculated up to order mc/Q.

研究の動機と目的

• ちるアルッド性を持つトランスバーシティ一般化部分子分布（GPD）は、その性質上測定が極めて困難であるため、これを新たに実験的にアクセス可能なチャネルとして特定すること。
• ニュートリノ誘発の排他的なcharm中間子生成（$\\nu_l N \to l^- D^+ N'$）が、方位角相関を通じてトランスバーシティGPDにアクセス可能であることを示すこと。
• 重いクォーク質量効果を $m_c/Q$ まで含めたコラinear因子化とトレースの理論的枠組みを構築し、leading-twist QCD振幅を用いること。
• 微分断面積における干渉項 $\sigma_{-0}$ が、$\langle \cos\varphi \rangle$ と $\langle \sin\varphi \rangle$ を通じてトランスバーシティGPD行列要素の実部と虚部を符号化していることを示すこと。
• 観測可能な方位角非対称性とトランスバーシティGPD $H_T^\phi$、$\tilde{H}_T^\phi$、$E_T^\phi$、$\bar{E}_T^\phi$ の間の定量的関係を確立すること。

提案手法

• QCDにおけるコラinear因子化を $\nu_l N \to l^- D^+ N'$ の過程に適用し、核子のGPDと$D$中間子の分布振幅に振幅を分離する。
• フェ Feynman 観が用いられたハンドバッグ図（図1aおよび1b）を用いてハード散乱振幅を計算し、重いクォーク伝播関数に $m_c/(k_c^2 - m_c^2 + i\epsilon)$ 項を含め、$m_c/Q$ の補正を捉える。
• トランスバース振幅 $T_T$ のディラックトレースを評価し、チルアルッド性を持つトランスバーシティGPDが関与する場合にのみ非ゼロの寄与が生じることを示す。
• 微分断面積をスピン依存断面積 $\sigma_{00}$、$\sigma_{--}$、$\sigma_{-0}$ の形で表現し、$\sigma_{-0}$ が $\Delta_T/m_N$ に線形に依存することを示す。
• $\langle \cos\varphi \rangle$ と $\langle \sin\varphi \rangle$ を、$\text{Re}(\sigma_{-0})$ と $\text{Im}(\sigma_{-0})$ を $\sigma_{00}$ で割ったものに運動論的係数 $K$ を乗じた形で表現する。
• トランスバーシティGPDと$D$中間子の形因子を用いて、$\langle \cos\varphi \rangle$ と $\langle \sin\varphi \rangle$ の近似的な解析的表現を導出し、$H_T^\phi$、$\tilde{H}_T^\phi$、$E_T^\phi$、$\bar{E}_T^\phi$ への直接的な感受性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ誘発の排他的過程におけるcharm中間子生成を通じて、トランスバーシティGPDにアクセス可能か？
• RQ2 ハード振幅に重いクォーク質量効果（$m_c$）を含めることで、どのようにチルアルッド性GPDへの感受性が得られるか？
• RQ3 干渉項 $\sigma_{-0}$ がトランスバーシティGPDに感受する方位角非対称性を生成する役割は何か？
• RQ4 $\langle \cos\varphi \rangle$ と $\langle \sin\varphi \rangle$ が、トランスバーシティGPD行列要素の実部と虚部をどのように符号化しているか？
• RQ5 将来の高エネルギーニュートリノ施設は、このチャネルをどの程度活用して核子の3次元構造を調べられるか？

主な発見

• 方位角非対称性 $\langle \cos\varphi \rangle$ は、$\mathcal{H}_D (2\tilde{\mathcal{H}}_T^\phi + \mathcal{E}_T^\phi + \bar{\mathcal{E}}_T^\phi)^*$ と $\mathcal{E}_D \mathcal{H}_T^{\phi*}$ の組み合わせの実部に比例し、$\xi$、$m_c/Q$、$\Delta_T/m_N$、$\varepsilon$ に依存する係数 $K$ を持つ。
• 方位角非対称性 $\langle \sin\varphi \rangle$ は、同じ組み合わせの虚部に比例し、トランスバーシティGPDの位相構造を直接探査できる。
• 非対称性が $\Delta_T/m_N$ に依存することから、信号が横方向核子スピン極化効果に起因しており、チルアルッド性GPDに感受することを確認する。
• $m_c/Q$-依存項がハード振幅に含まれることで、チルアルッド性GPDが存在する場合に非ゼロの横方向振幅が生成される。これは、質量ゼロクォーク極限でのチルアルッド性抑制を打破する。
• $\alpha$ が小さい極限において、$\langle \cos\varphi \rangle / \sigma_{00}$ と $\langle \sin\varphi \rangle / \sigma_{00}$ は $D$中間子の分布振幅に依存しないため、GPDの抽出が簡素化される。
• 本手法により、高エネルギーニュートリノ実験におけるトランスバーシティGPD全セット（$H_T^\phi$、$\tilde{H}_T^\phi$、$E_T^\phi$、$\bar{E}_T^\phi$）を、角度分布を通じて実現可能である道筋が提供される。