[论文解读] Nucleon sea and the five-quark components

J. C. Peng, W. C. Chang|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 5

一句话总结

该论文将Brodsky-Hoyer-Peterson-Sakai（BHPS）模型从质子中的内在底夸克推广至轻夸克体系，提出内在$\bar{u}$、$\bar{d}$和$\bar{s}$夸克源于五夸克Fock态（$|uudu\bar{u}\rangle$、$|uudd\bar{d}\rangle$、$|uuds\bar{s}\rangle$）。通过使用源自相对论夸克模型的动量分布，并与Drell-Yan及半微量深度非弹性散射（DIS）实验数据对比，作者发现强烈一致，为内在轻夸克海的存在提供了证据，并在$\mu = 0.5$ GeV下提取出相应五夸克组分的概率分别为0.122、0.240和0.024。

ABSTRACT

We generalize the approach of Brodsky {\it et al.} for the intrinsic charm quark distribution in the nucleons to the light-quark sector involving intrinsic $\bar u, \bar d, s$ and $\bar s$ sea quarks. We compare the calculations with the existing $\bar d - \bar u$, $s + \bar s$, and $\bar u + \bar d - s -\bar s$ data. The good agreement between the theory and the data is interpreted as evidence for the existence of the intrinsic light-quark sea in the nucleons. The probabilities for the $|uudu\bar{u}>$, $|uudd\bar{d}>$ and $|uuds\bar{s}>$ Fock states are also extracted.

研究动机与目标

• 将BHPS模型中关于内在底夸克的框架推广至轻夸克体系，包含内在$\bar{u}$、$\bar{d}$和$\bar{s}$夸克。
• 通过与实验数据对比，检验质子中五夸克Fock态（$|uudu\bar{u}\rangle$、$|uudd\bar{d}\rangle$、$|uuds\bar{s}\rangle$）存在的可能性。
• 利用反夸克分布数据，定量提取这些五夸克组分的概率。
• 评估该结果对内在底夸克组分的影响，并为高能对撞机中的未来搜索提供指导。

提出的方法

• 将BHPS模型中用于底夸克的相对论夸克模型形式化推广至轻夸克$Q\bar{Q}$对，采用五夸克Fock态概率分布$P(x_1,\dots,x_5) \propto \left[m_p^2 - \sum_{i=1}^5 \frac{m_i^2}{x_i}\right]^{-2}$。
• 通过积分其他夸克动量分数，推导出反夸克$ x_5 $的动量分布，得到$ P(x_5) $作为$ x_5 $和夸克质量的函数。
• 使用蒙特卡洛采样数值计算$ P(x_5) $，无需无限大夸克质量近似，并验证了分析极限的正确性。
• 将理论上的$ x $-分布（$\bar{d}-\bar{u}$、$s+\bar{s}$、$\bar{u}+\bar{d}-s-\bar{s}$）与Drell-Yan和HERMES实验的实验数据进行比较。
• 通过使用$\mu = 0.3$和$0.5$ GeV，将BHPS预测演化至$Q^2 = 2.5$ GeV$^2$，以匹配实验动量空间。
• 通过拟合模型与数据，提取五夸克态的概率，并调整归一化以匹配测量到的分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 内在$\bar{u}$、$\bar{d}$和$\bar{s}$夸克是否通过五夸克Fock态存在于质子中？
• RQ2 BHPS模型中关于内在底夸克的框架能否推广至轻夸克$Q\bar{Q}$组分，并具有可比或更大的概率？
• RQ3 测量到的$\bar{d}-\bar{u}$、$s+\bar{s}$和$\bar{u}+\bar{d}-s-\bar{s}$的$ x $-分布是否与五夸克Fock态模型的预测一致？
• RQ4 质子中$|uudu\bar{u}\rangle$、$|uudd\bar{d}\rangle$和$|uuds\bar{s}\rangle$ Fock态的概率是多少？
• RQ5 基于$|uudc\bar{c}\rangle$态，内在底夸克的概率估计是多少？最佳探测区域在哪里？

主要发现

• 计算得到的$\bar{d}-\bar{u}$、$s+\bar{s}$和$\bar{u}+\bar{d}-s-\bar{s}$的$ x $-分布与实验数据在定性上高度一致，支持内在轻夸克海的存在。
• 在$\mu = 0.5$ GeV下，$|uudu\bar{u}\rangle$ Fock态的概率估计为$\mathcal{P}^{u\bar{u}}_5 = 0.122$，在$\mu = 0.3$ GeV时增至$0.162$。
• 在$\mu = 0.5$ GeV下，$|uudd\bar{d}\rangle$态的概率为$\mathcal{P}^{d\bar{d}}_5 = 0.240$，在$\mu = 0.3$ GeV时增至$0.280$。
• 在$\mu = 0.5$ GeV下，$|uuds\bar{s}\rangle$态的概率为$\mathcal{P}^{s\bar{s}}_5 = 0.024$，在$\mu = 0.3$ GeV时增至$0.029$。
• 三种轻夸克五夸克态的总概率约为40%，表明其对质子Fock态分解有显著贡献。
• 内在底夸克的概率估计为$\mathcal{P}^{c\bar{c}}_5 \sim 0.003$，远低于早期估计，且由于$Q^2$演化，建议在$0.1 < x < 0.4$区间内进行探测。