[论文解读] Electron-Nucleus Collisions at THERA

L. Frankfurt, V. Guzey+2 more|ArXiv.org|Apr 24, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 7

一句话总结

本文提出，在THERA设施中进行的电子-核子碰撞为探测量子色动力学（QCD）在黑体极限（BBL）区域提供了独特机遇，该区域中尽管耦合常数较小，高能虚光子仍与重核发生强相互作用。与标准的主导阶DGLAP动力学相比，BBL区域导致定性不同的预测——如带头强子多重性的抑制、弹性截面的增强，以及$1/Q^2$依赖的单 exclusive 向量介子产生——THERA有望在重核中覆盖广泛的$Q^2$范围进入BBL区域。

ABSTRACT

The nuclear option at THERA provides an ideal and unique opportunity to investigate the black body limit (BBL) of high energy Deep Inelastic Scattering of highly virtual photons off heavy nuclear targets and thereby probe QCD in a new regime. At high enough energies, whichever hadronic configuration the photon fluctuates into, the interaction at a given impact parameter with the heavy nuclear target will eventually reach its geometrical limit corresponding to the scattering from a black disk. An attractive feature of the BBL regime for a large nucleus is that the interaction is strong although the coupling constant is small. Predictions for longitudinal and transverse distributions of the leading hadrons in inclusive and diffractive channels and exclusive vector meson production are found to be strikingly different in BBL and the leading twist approximation. In particular, the multiplicity of leading hadrons in the current fragmentation region is strongly suppressed, while the cross section of diffractive vector meson production by longitudinally polarized photons is $ \propto 1/Q^2$. The x and $Q^2$ ranges where BBL maybe reached are calculated for the interaction of color triplet and color octet dipoles at central impact parameters. We conclude that for heavy nuclei THERA would reach deep into BBL for a wide range of $Q^2$. The connection between hard diffraction and leading twist nuclear shadowing is analysed. It is demonstrated that the current leading twist analyses of the HERA diffractive data lead to similar and very large leading twist shadowing for gluons. Several processes sensitive to the amount of nuclear shadowing for gluons are discussed.

研究动机与目标

• 研究THERA中电子-核子碰撞下深度非弹性散射（DIS）的黑体极限（BBL）行为，该区域虽耦合常数小，但强相互作用仍显著显现。
• 识别区分BBL区域与标准主导阶DGLAP框架在包括与弹性DIS可观测量中的清晰实验信号。
• 分析核子遮蔽效应（特别是胶子）的作用，及其与高能核碰撞中硬弹性散射和色不透明性的关联。
• 评估在重核中达到BBL区域的可行性，并量化在$x$与$Q^2$上的运动学可达范围。
• 证明与核子靶相比，核子为探测BBL提供了更优环境，因其增强了部分子密度并抑制了边缘效应。

提出的方法

• 利用eikonal模型与幺正性约束，计算中心碰撞参数下光子-核子散射的黑盘极限。
• 应用BBL近似计算包括与弹性截面，涵盖纵向与横向强子分布及单 exclusive 向量介子产生。
• 推导BBL中核结构函数的$x$与$Q^2$依赖关系，显示$F^{A}_{2} \propto \pi R_{A}^{2} Q^{2} \ln(1/4m_{N}R_{A}x)$，与DGLAP标度形成对比。
• 基于主导阶模型的弹性部分子分布，评估核遮蔽的有效截面$\sigma^{j}_{\text{eff}}$随$x$与$Q^2$的变化。
• 比较主导阶与BBL对单 exclusive 向量介子电产生过程的预测，发现BBL区域中呈现$1/Q^2$依赖。
• 评估色不透明性与相干产生作用，其中横动量满足$p_t \leq 2/R_A^2$，简化了相干过程中的探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 THERA中电子-核子碰撞能否实现高能DIS的黑体极限（BBL）区域？在哪些$x$与$Q^2$范围内可实现？
• RQ2 与主导阶DGLAP区域相比，BBL区域中包括核结构函数与当前碎片化区域强子多重性等包括可观测量有何不同？
• RQ3 在BBL区域中，胶子遮蔽起何作用？其与硬弹性散射及主导阶核遮蔽有何关联？
• RQ4 为何核子比核子靶更适于探测BBL区域，特别是在抑制边缘效应与增强部分子密度方面？
• RQ5 在单过程（如向量介子电产生）中，BBL的可观测信号是什么？其与标准QCD预测有何差异？

主要发现

• 在BBL区域中，核结构函数的标度为$F^{A}_{2} \propto \pi R_{A}^{2} Q^{2} \ln(1/4m_{N}R_{A}x)$，其$1/x$依赖比DGLAP预测更缓慢，表明偏离标准标度。
• 核与核子结构函数之比随$1/x$减小，$F^{A}_{2}/F^{N}_{2} \propto 1/(1 + c_N \ln^2 1/x)$，为BBL提供了清晰信号。
• 在BBL中，包括弹性散射截面接近总截面的一半，表明弹性过程显著增强。
• 在BBL区域中，由纵向极化光子产生的单 exclusive 向量介子产生截面与$1/Q^2$成正比，与主导阶模型中的$Q^2$依赖形成鲜明对比。
• 胶子遮蔽的有效截面$\sigma^{g}_{\text{eff}}$在$Q^2 \sim 2$ GeV与$x \sim 10^{-3}$时达到约10 mb量级，表明存在强烈的遮蔽效应。
• 对于铅核，在$Q^2 \sim 10$ GeV时，BBL区域对$x \lesssim 10^{-3}$可实现，由于高部分子密度与洛伦兹收缩，黑盘极限得以达到。