[论文解读] First lattice QCD study of the gluonic structure of light nuclei

Frank Winter, William Detmold+5 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Sep 1, 2017

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 6

一句话总结

本研究首次在格点QCD中计算了轻核（A ≤ 3）的胶子结构，计算了自旋无偏和横向极化胶子分布的一阶矩。在π介子质量为450和806 MeV时，核胶子动量分数的修改程度未超过10%，而自旋-1的氘核中胶子横向极化的非零信号表明存在非核子胶子贡献。

ABSTRACT

The role of gluons in the structure of the nucleon and light nuclei is investigated using lattice quantum chromodynamics (QCD) calculations. The first moment of the unpolarised gluon distribution is studied in nuclei up to atomic number $A=3$ at quark masses corresponding to pion masses of $m_π\sim 450$ and $806$ MeV. Nuclear modification of this quantity defines a gluonic analogue of the EMC effect and is constrained to be less than $\sim 10$% in these nuclei. This is consistent with expectations from phenomenological quark distributions and the momentum sum rule. In the deuteron, the combination of gluon distributions corresponding to the $b_1$ structure function is found to have a small first moment compared with the corresponding momentum fraction. The first moment of the gluon transversity structure function is also investigated in the spin-1 deuteron, where a non-zero signal is observed at $m_π\sim 806$ MeV. This is the first indication of gluon contributions to nuclear structure that can not be associated with an individual nucleon.

研究动机与目标

• 使用格点QCD计算轻核中自旋无偏胶子分布的一阶矩。
• 研究胶子动量分数的核效应修改，类比于夸克的EMC效应。
• 通过自旋-1的氘核探测胶子横向极化，作为非核子胶子的信号。
• 为电子-离子对撞机（EIC）提供第一性原理的QCD预测，涉及相关物理量。
• 通过外推至物理夸克质量，评估探测胶子结构效应的可行性。

提出的方法

• 使用威尔逊-螺旋子作用量，在π介子质量为450 MeV和806 MeV的格点QCD模拟中进行计算。
• 利用变分法计算局部胶子算符的矩阵元，以提取胶子分布的一阶矩。
• 使用Chroma软件套件和QUDA库高效完成规范场和费米子传播子的收缩。
• 采用动量空间方法提取自旋无偏胶子分布的一阶Mellin矩。
• 利用氘核的自旋-1特性分离$b_1$结构函数，以探测胶子横向极化。
• 通过有效场论技术将结果外推至物理点，假设未来可获得更轻的π介子质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在π介子质量为450和806 MeV时，轻核（A=1,2,3）自旋无偏胶子分布的一阶矩是多少？
• RQ2 是否存在类似于夸克EMC效应的核胶子修改效应？
• RQ3 格点QCD能否检测到氘核中非零的胶子横向极化分布，以表明存在非核子胶子？
• RQ4 核中胶子动量分数与自由核子中的相比如何？
• RQ5 胶子横向极化信号相对于动量分数的大小如何？是否暗示存在奇特胶子贡献？

主要发现

• 与核子相比，轻核中自旋无偏胶子分布的一阶矩未显示显著修改，偏差不超过∼10%，与较小的胶子EMC效应一致。
• 在氘核中，对应于$b_1$结构函数的胶子分布组合的一阶矩相对于动量分数较小，表明胶子贡献被抑制。
• 在$m_\pi \sim 806$ MeV时，氘核中胶子横向极化分布的一阶矩观测到非零信号，表明存在非核子胶子自由度。
• 胶子横向极化信号的幅度比类似计算中$\phi$介子的信号小5–10倍，与大-$N_c$期望一致。
• 在$m_\pi \sim 806$ MeV时，$A \leq 2$的不确定性约为10%，$A=3$时约为25%，表明通过提高统计精度，未来有望实现1–3%量级的分辨率。
• 结果证明了使用第一性原理格点QCD计算核中胶子结构的可行性，为未来EIC相关预测奠定了基础。