[論文レビュー] Target Fragmentation in $pp$, $ep$ and $γp$ Collisions at High Energies

U. D’Alesio, Hans J. Pirner|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 1998

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 32

ひとこと要約

本稿は、ニュートロンのメソン雲モデルを用いて、高エネルギー $pp$、$ep$、$ \gamma p$ 衝突における標的断片化を調査し、特に前方ニュートロン生成に注目する。高エネルギーGlauber理論を用いて吸収補正（スクリーニング効果）を計算し、$pp$ および実際の光子生成反応では、散乱による因子化破れが顕著であることが判明した。また、$Q^2 > 10\,\text{GeV}^2$ の深エネルギーシンチレーション散乱では、弱いが無視できない効果が認められ、$ \gamma^*p\to nX$ データからパイオン構造関数を抽出する際の普遍性に疑問を呈する。

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.

研究の動機と目的

• 半含まれるニュートロン生成における因子化仮説の妥当性を $pp$、$ep$、$\gamma p$ 衝突において評価すること。
• メソン雲モデルとGlauber理論を用いて、標的断片化における吸収補正（スクリーニング）を定量化すること。
• $\gamma^*p\to nX$ データからパイオン構造関数 $F_2^{\pi^+}$ を抽出する際の、プロジェクタイル依存の散乱効果の影響を特定すること。
• ハドロン的 ($pp$)、実際の光子生成 ($\gamma p$)、深エネルギーシンチレーション散乱 ($\gamma^*p$) の各過程における吸収効果の強さを比較すること。
• 最終状態相互作用を考慮することで、HERAにおけるリーディングニュートロン生成のデータ解釈の理論枠組みを改善すること。

提案手法

• $ap\to nX$ 反応を記述するための一パイオン交換モデルを用い、微分断面積をフラックス因子と $a\pi^+$ 全断面積の積に因子化する。
• 高エネルギーGlauber理論を用いて、$pp$、$\gamma p$、$\gamma^*p$ 反応におけるスクリーニング補正（吸収効果）を計算し、光子内の $q\bar{q}$ ダイポールが残りのニュートロン上で散乱するのをモデル化する。
• $pp\to nX$ における $pn\pi^+$ 形状因子をフィッティングし、$R_{lc}^2 = 0.2\,\text{GeV}^{-2}$ および $R_c^2 = 0.05\,\text{GeV}^{-2}$ を抽出する。Tchebycheff多項式を用いたスカイリム型形状因子を用いる。
• 骨折関数 $M_2(x_{\rm Bj}, Q^2, z)$ をニュートロンフラックスとパイオン構造関数 $F_2^{\pi}$ の積として計算し、Altarelli-Parisi方程式を用いて進化させる。
• $pp$、$\gamma p$、$\gamma^*p$ 反応における $K$-要因（吸収による抑制要因）を比較し、因子化破れの程度を評価する。
• ダイポール像と色透明性の概念を用いて、ニュートロンエネルギー分布の $z$-依存性および異なる吸収効果によるシフトを解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 吸収補正が $pp$ および $\gamma p$ 衝突において、$\gamma^*p\to nX$ の因子化仮説をどの程度無効にするか。
• RQ2 $Q^2 > 10\,\text{GeV}^2$ の条件下で、$pp$、実際の光子生成、深エネルギーシンチレーション散乱における $K$-要因（スクリーニング補正）の違いは何か。
• RQ3 光子生成反応とハドロン的反応において、ニュートロンの $d\sigma/dE_n$ 分布に及ぼすニュートロン散乱の定量的影響は何か。
• RQ4 骨折関数 $M_2(x_{\rm Bj}, Q^2, z)$ の $Q^2$-進化は、パイオン構造関数の進化と高次チルクススクリーニング効果によって説明可能か。
• RQ5 抽出された形状因子パラメータ ($R_{lc}^2$, $R_c^2$) は、HERAデータからの $F_2^{\pi^+}$ 抽出の信頼性にどのように影響を与えるか。

主な発見

• 因子化破れが顕著であるため、$pp\to nX$ の $K$-要因は $z < 0.8-0.9$ でほぼ 30% 低下し、単位値を下回る。
• 実際の光子生成 ($\gamma p\to nX$) では、$pp$ 反応よりわずかに小さいが依然として顕著な吸収補正があり、ニュートロンエネルギースペクトルに顕著なシフトが生じる。
• $Q^2 > 10\,\text{GeV}^2$ の深エネルギーシンチレーション散乱では、スクリーニング効果は弱いが依然として存在し、$K$-要因が単位値から逸脱するため、残留する因子化破れが示唆される。
• $Q^2$ が大きい領域では骨折関数 $M_2(x_{\rm Bj}, Q^2, z)$ の $Q^2$-進化は主に Altarelli-Parisi 進化が支配的であるが、$Q^2$ が小さい領域では高次チルクススクリーニング効果が重要である。
• $pp$ データから抽出された形状因子パラメータは $R_{lc}^2 = 0.2\,\text{GeV}^{-2}$ および $R_c^2 = 0.05\,\text{GeV}^{-2}$ であり、不確実性を低減するためには $p_t$-スペクトルのより良い測定が必要である。
• 実際の光子反応と仮想光子反応におけるニュートロンエネルギー分布のずれは、異なる吸収効果に起因するとされ、これらを分離するための実験的シグネチャーとしての可能性を示している。