[論文レビュー] First lattice QCD study of the gluonic structure of light nuclei

Frank Winter, William Detmold+5 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Sep 1, 2017

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、軽い核（A ≤ 3）におけるグルーオン構造の最初の lattice QCD 計算を提示し、非極化および横極化グルーオン分布の1次モーメントを計算した。パイオン質量が450および806 MeVのとき、核内のグルーオン運動量分率には10%を超える有意な修正が見られず、スピン1のデュテロンにおけるグルーオン横極化の非ゼロ信号は、核子以外のグルーオン的寄与を示唆している。

ABSTRACT

The role of gluons in the structure of the nucleon and light nuclei is investigated using lattice quantum chromodynamics (QCD) calculations. The first moment of the unpolarised gluon distribution is studied in nuclei up to atomic number $A=3$ at quark masses corresponding to pion masses of $m_π\sim 450$ and $806$ MeV. Nuclear modification of this quantity defines a gluonic analogue of the EMC effect and is constrained to be less than $\sim 10$% in these nuclei. This is consistent with expectations from phenomenological quark distributions and the momentum sum rule. In the deuteron, the combination of gluon distributions corresponding to the $b_1$ structure function is found to have a small first moment compared with the corresponding momentum fraction. The first moment of the gluon transversity structure function is also investigated in the spin-1 deuteron, where a non-zero signal is observed at $m_π\sim 806$ MeV. This is the first indication of gluon contributions to nuclear structure that can not be associated with an individual nucleon.

研究の動機と目的

• lattice QCD を用いて、軽い核における非極化グルーオン分布の1次モーメントを計算すること。
• クォークの EMC 効果に類似したグルーオン運動量分率の核内修正を調査すること。
• スピン1のデュテロンにおけるグルーオン横極化をプローブし、核子以外のグルーオンを示す証拠を得ること。
• 電子-イオン衝突型加速器（EIC）に関連する量に対する第一原理的 QCD 予測を提供すること。
• 物理的クォーク質量でのグルーオン構造効果の検出可能性を、外挿法を用いて評価すること。

提案手法

• ウィルソンクローバー作用法を用いて、パイオン質量が450 MeVおよび806 MeVの lattice QCD シミュレーションを実施する。
• 変分法を用いて局所グルーオン演算子の行列要素を計算し、グルーオン分布の1次モーメントを抽出する。
• 効率的なゲージ場およびフェルミオン伝播関数の縮約に、Chroma ソフトウェアスイートと QUDA ライブラリを用いる。
• 運動量空間法を用いて、非極化グルーオン分布の1次メリンモーメントを抽出する。
• デュテロンのスピン1性質を応用し、$b_1$ 構造関数を分離してグルーオン横極化にアクセスする。
• 将来の軽いパイオン質量へのアクセスを想定し、有効場理論的手法を用いて物理的点への外挿を実行する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パイオン質量が450および806 MeVのとき、軽い核（A=1,2,3）における非極化グルーオン分布の1次モーメントは何か？
• RQ2 クォークの EMC 効果に類似した核内グルーオン修正の証拠はあるか？
• RQ3 lattice QCD は、デュテロンにおける非ゼロのグルーオン横極化分布を検出できるか？これは核子以外のグルーオンを示唆する。
• RQ4 核内のグルーオン運動量分率は、自由核子と比べてどのように異なるか？
• RQ5 グルーオン横極化信号の大きさは運動量分率に対してどの程度で、これが特異なグルーオン寄与を示唆するか？

主な発見

• 軽い核における非極化グルーオン分布の1次モーメントは、核子と比較して10%程度の有意な修正がなく、小さなグルーオン EMC 効果に一致する。
• デュテロンにおいて、$b_1$ 構造関数に対応するグルーオン分布の組み合わせは、運動量分率に対して小さな1次モーメントを示し、グルーオン寄与が抑制されていることを示している。
• $m_\pi \sim 806$ MeV のとき、デュテロンにおけるグルーオン横極化分布の1次モーメントに非ゼロの信号が観測され、核子以外のグルーオン的自由度を示唆している。
• グルーオン横極化信号は、$\phi$ メソンにおける類似計算と比較して5〜10倍抑制されており、大$N_c$の予測と整合的である。
• $A \leq 2$ では10%、$A=3$ では806 MeVのとき25%の不確かさであり、統計を増加させることで1〜3%レベルの分解能が得られる可能性がある。
• 結果は、核におけるグルーオン構造の第一原理的 lattice QCD 計算の可能性を示しており、将来の EIC 関連予測の基盤を提供している。