[논문 리뷰] Toward a determination of the shortest radiation length in nature

R. B. Neufeld, Ivan Vitev외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 양자전자역학의 다음 차수의 미세한 효과와 핵물질 매질의 수정을 결합하여 양성자-핵 충돌에서의 미분 Drell-Yan 단면적을 계산하며, 고정표적 실험에서 초기 상태의 파arton 에너지 손실을 탐지하고 냉각 핵물질의 정지 능력을 정확히 결정할 수 있음을 보여준다. 연구는 고프라인 $x_F$ 에서 Drell-Yan 단면적의 측정 가능한 감쇠를 예측하여, 저에너지 빔 조건에서 핵물질 그림자 효과와 에너지 손실 효과를 명확히 구별할 수 있음을 시사하며, 자연계에서 가장 짧은 복사 길이인 $X_0 \sim 10^{-13}$~cm를 확인할 수 있을 것으로 기대된다.

ABSTRACT

We calculate the differential Drell-Yan production cross section in proton-nucleus collisions by including both next-to-leading order perturbative effects and effects of the nuclear medium. We demonstrate that dilepton production in fixed target experiments is an excellent tool to study initial-state parton energy loss in large nuclei and to accurately determine the stopping power of cold nuclear matter. We provide theoretical predictions for the attenuation of the Drell-Yan cross section at large values of Feynman $x_F$ and show that for low proton beam energies experimental measurements at Fermilab's E906 can clearly distinguish between nuclear shadowing and energy loss effects. If confirmed by data, our results will help establish the shortest radiation length in nature $X_0 \sim 10^{-13}$~cm.

연구 동기 및 목표

• 고냉각 핵물질 내 초기 상태 파arton 에너지 손실을 양성자-핵 충돌에서의 이중 레프톤 생성을 통해 연구하기 위해.
• 고정표적 실험에서 핵물질 그림자 효과와 파arton 에너지 손실 효과를 구분하기 위해.
• 큰 파이언 $x_F$ 에서 Drell-Yan 단면적 감쇠에 대한 이론적 예측을 제공하기 위해.
• 저에너지 양성자 빔을 이용한 실험적 방법으로 냉각 핵물질의 정지 능력을 결정하기 위해.
• 데이터에 의해 확인될 경우 자연계에서 가장 짧은 복사 길이인 $X_0 \sim 10^{-13}$~cm를 확립하는 데 기여하기 위해.

제안 방법

• 양자전자역학의 다음 차수에서의 미분 Drell-Yan 생성 단면적을 계산하기 위해.
• 양성자-핵 충돌의 초기 상태에서 파arton 에너지 손실을 통해 핵물질 매질 효과를 통합하기 위해.
• 에너지 손실을 고려한 냉각 핵에서의 파arton 분포 함수 수정을 모델링하기 위해.
• 이론적 예측을 바탕으로 고 $x_F$ 에서 관측 가능한 단면적 감쇠를 시뮬레이션하기 위해.
• 에너지 손실과 핵물질 그림자 효과에 대한 예측을 비교하여 고정표적 데이터에서 구별 가능한 서명을 식별하기 위해.
• 저에너지 양성자 빔 조건에서 실험 가능성을 평가하기 위해 페르미랩의 E906 실험에 결과를 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정표적 실험에서 이중 레프톤 생성은 대규모 핵에서 파arton 에너지 손실과 핵물질 그림자 효과를 명확히 구별할 수 있는가?
• RQ2 큰 파이언 $x_F$ 에서 초기 상태 파arton 에너지 손실은 Drell-Yan 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 페르미랩의 E906 실험에서 저에너지 양성자 빔 실험은 에너지 손실과 그림자 효과 기여도를 어느 정도 해상도로 구분할 수 있는가?
• RQ4 이 조건 하에서 냉각 핵물질 내 Drell-Yan 단면적 감쇠에 대한 이론적 예측은 무엇인가?
• RQ5 이 예측이 실험적으로 확인될 경우 자연계에서 가장 짧은 복사 길이인 $X_0 \sim 10^{-13}$~cm를 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 냉각 핵물질 내 초기 상태 파arton 에너지 손실로 인해 Drell-Yan 단면적이 큰 파이언 $x_F$ 에서 상당한 감쇠를 보인다.
• 낮은 양성자 빔 에너지 조건에서 페르미랩의 E906 실험 측정은 핵물질 그림자 효과와 에너지 손실 효과를 명확히 구별할 수 있다.
• 이론적 예측은 이중 레프톤 생성이 냉각 핵물질의 정지 능력에 민감한 탐사 수단임을 보여준다.
• 다음 차수의 미세한 양자전자역학 효과를 포함함으로써 핵 충돌에서 단면적 예측의 정확도가 향상된다.
• 데이터에 의해 확인될 경우 관측된 감쇠 패턴은 자연계에서 가장 짧은 복사 길이인 $X_0 \sim 10^{-13}$~cm를 확인할 수 있을 것으로 기대된다.
• 이 연구는 고정표적 Drell-Yan 측정을 통해 냉각 핵물질 내 복사 길이 척도를 실험적으로 결정할 수 있는 실현 가능한 길을 확립한다.