[論文レビュー] Probing the gluonic structure of the nucleon through quarkonium production

S. Joosten|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2018

Superconducting Materials and Applications参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、陽子のグルーオン的構造を調べるため、電子-陽子衝突におけるクォーカーモン生成を提案している。ジェファーソン・ラボのSoLID実験における近閾値付近の$J/\psi$生成により、QCDのトレース異常と陽子質量の起源を高精度で測定可能であり、電子-イオン衝突器（EIC）における高エネルギー$J/\psi$および$\Upsilon$の電磁生成によって、グルーオンの三次元トモグラフィック画像化と理論的不確実性を低減したグルーオン半径の決定が可能となる。

ABSTRACT

Heavy quarkonium production will provide for novel opportunities to study the gluonic structure of the nucleon in the near future. Near threshold quarkonium production allows for direct experimental access of the dynamic origin of the nucleon mass as well as the nature of the color Van der Waals force, while quarkonium production at high energies can be used to create a full three-dimensional tomographic image of the gluons inside the nucleon, constraining the gluonic radius of the nucleon.

研究の動機と目的

• 近閾値付近の$J/\psi$電磁生成および光生成を用いて、陽子質量の主要寄与要因であるQCDトレース異常を実験的に制約すること。
• クォーカーモンと陽子の間の色フォース・ヴァン・デル・ワールス力の性質を調査し、$J/\psi$-陽子共鳴状態のような束縛状態の存在を検討すること。
• 高エネルギーでの$J/\psi$および$\Upsilon$の排他的電磁生成を用いて、陽子内部のグルーオンの三次元トモグラフィック画像化を実現すること。
• ジェファーソン・ラボの$J/\psi$データとEICの$\Upsilon$データを比較することで、グルーオン的構造測定における理論的不確実性を低減すること。
• 異なるクォーカーモン系およびエネルギー領域からのデータを統合することで、一般化パートン分布（GPD）の普遍性を検証すること。

提案手法

• ジェファーソン・ラボのSoLID検出器を用いて、近閾値付近の排他的$J/\psi$電磁生成を実施し、$\gamma p \to J/\psi p$断面積を通じてトレース異常を抽出する。
• $\gamma p \to e^+e^-p$における前後非対称性を、$J/\psi$-陽子散乱振幅および束縛エネルギーを制約する新しい観測量として応用する。
• 高エネルギーでの$\Upsilon$電磁生成を用いて、マンドルシュタム-$t$分布のフーリエ変換を通じてグルーオン一般化パートン分布（GPD）を抽出する。
• $P_c$五価子共鳴状態の感度を評価するために、対数尤度解析を実施する。これは$P_c$–$J/\psi$–$p$結合定数が5%であると仮定した場合を想定する。
• ジェファーソン・ラボの$J/\psi$データとEICの$\Upsilon$データを統合し、グルーオン的GPDの妥当性を検証し、高次のQCD補正による不確実性を低減する。
• 格子QCDおよび現象論的分散フレームワークを用いて、色フォース・ヴァン・デル・ワールス力をモデル化し、クォーカーモン-陽子系における束縛エネルギーを予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCDトレース異常は陽子質量にどの程度寄与しているのか。近閾値付近の$J/\psi$生成を通じて、実験的に測定可能か。
• RQ2 クォーカーモンと陽子の間の色フォース・ヴァン・デル・ワールス力の強さと性質は何か。また、$J/\psi$-陽子束縛状態の存在を支持するか。
• RQ3 高エネルギーでの排他的$J/\psi$および$\Upsilon$電磁生成は、陽子内部のグルーオン的構造の三次元トモグラフィック画像化を可能にするか。
• RQ4 高次のQCD補正はグルーオンGPD抽出にどのように影響するか。EICにおける$\Upsilon$生成は$J/\psi$測定と比較して、これらの不確実性を低減できるか。
• RQ5 LHCbが観測した五価子共鳴状態は$J/\psi$-陽子相互作用を探査する上で果たす役割は何か。また、それらの性質は色フォース・ヴァン・デル・ワールス力によって説明可能か。

主な発見

• ジェファーソン・ラボのSoLID実験は、43.2 ab$^{-1}$の総統合放射光度を達成することで、近閾値付近の$J/\psi$電磁生成および光生成を用いてQCDトレース異常を十分な統計的精度で制約可能であると予想されている。
• $\gamma p \to e^+e^-p$における前後非対称性は、$J/\psi$-陽子散乱振幅および束縛エネルギーを測定する新しい観測量として提案されており、予測される束縛エネルギーは$2.7 \pm 0.3$ MeVである。
• EICにおける排他的$\Upsilon$電磁生成は、100 fb$^{-1}$の放射光度と10 GeVの電子ビームを100 GeVの陽子ビームに照射することで、グルーオンGPDを高精度で抽出可能と予想されている。
• $\Upsilon$GPD測定は、$b$-クォークの質量が大きいことで高次の補正が抑制されるため、$J/\psi$と比較して理論的不確実性が著しく低減される見込みである。
• $\Upsilon$生成における$t$-分布のフーリエ変換から、陽子のグルーオン半径を抽出可能であり、特に高$b_T$領域における$b_T$依存性が高精度な感度を提供する。
• 組み合わせた$J/\psi$および$\Upsilon$データにより、グルーオンGPDの普遍性を検証可能であり、$\Upsilon$データは$J/\psi$結果の理論的不確実性が低い基準として機能する。