[论文解读] Gluon imaging using azimuthal correlations in diffractive scattering at the Electron-Ion Collider

Heikki Mäntysaari, Kaushik Roy+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2020

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 164被引用 69

一句话总结

本论文提出利用电子-离子对撞机（EIC）中电子与产生的光子或矢量介子之间的方位角关联，探测目标核子中胶子分布的空间关联。基于小-x JIMWLK演化的小截面CGC有效场理论与具有空间关联的McLerran-Venugopalan初始条件，作者计算了微分截面，并发现在电子-质子碰撞中存在显著的各向异性（v₁,₂ ≈ 2–10%），而在电子-金碰撞中，核效应则抑制了这些调制。

ABSTRACT

We study coherent diffractive photon and vector meson production in electron-proton and electron-nucleus collisions within the Color Glass Condensate effective field theory. We show that electron-photon and electron-vector meson azimuthal angle correlations are sensitive to non-trivial spatial correlations in the gluon distribution of the target, and perform explicit calculations using spatially dependent McLerran-Venugopalan initial color charge configurations coupled to the numerical solution of small $x$ JIMWLK evolution equations. We compute the cross-section differentially in $Q^2$ and $|t|$ and find sizeable anisotropies in the electron-photon and electron-$\mathrm{J}/\psi$ azimuthal correlations ($v_{1,2} \approx 2 - 10 \%$) in electron-proton collisions for the kinematics of the future Electron-Ion Collider. In electron-gold collisions these modulations are found to be significantly smaller ($v_{1,2} <0.1 \%$). We also compute incoherent diffractive production where we find that the azimuthal correlations are sensitive to fluctuations of the gluon distribution in the target.

研究动机与目标

• 开发一种利用EIC中独家弹性过程成像质子与原子核中胶子分布非平凡空间关联的方法。
• 研究电子-光子与电子-矢量介子方位角关联对目标胶子场空间结构的敏感性。
• 量化核效应在电子-核碰撞中对方位角各向异性的影响，与电子-质子碰撞进行比较。
• 通过非相干弹性产生过程，探索胶子分布中事件-事件涨落的作用。
• 基于真实的CGC模型，为EIC实验条件下的方位角关联提供定量预测。

提出的方法

• 采用胶球凝聚态（CGC）有效场理论，描述电子-质子与电子-核碰撞中小x区域的高密度胶子动力学。
• 利用成对图像计算独家电产生振幅，其中虚光子涨落为q¯q对，并与目标的色场发生散射。
• 实施基于空间关联的McLerran-Venugopalan（MV）初始条件推导出的与影响参数相关的成对-目标散射振幅。
• 数值求解小-x JIMWLK演化方程，以模拟饱和尺度与胶子密度随能量增加的演化。
• 计算Q²与|t|的微分截面，并从电子-矢量粒子关联的角分布中提取方位角各向异性系数v₁与v₂。
• 将简单GBW模型的结果与包含涨落色荷构型的更真实CGC基成对振幅结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在EIC的弹性电子-质子散射中，方位角关联能否揭示质子胶子分布中非平凡的空间关联？
• RQ2 电子-光子与电子-J/ψ产生中的方位角各向异性（v₁, v₂）如何依赖于动力学变量Q²与|t|？
• RQ3 由于核效应，电子-金碰撞中的方位角调制相比电子-质子碰撞被抑制到何种程度？
• RQ4 非相干弹性产生过程能否用于探测胶子分布空间结构的事件-事件涨落？
• RQ5 CGC框架结合JIMWLK演化与简单模型（如GBW）相比，在描述方位角关联方面有何差异？

主要发现

• 电子-质子碰撞中的方位角关联表现出显著的各向异性，v₁,₂ ≈ 2–10%，表明对胶子分布中非平凡空间关联具有敏感性。
• 在电子-金碰撞中，方位角各向异性被强烈抑制，v₁,₂ < 0.1%，这是由于对涨落的核构型进行了平均。
• 计算得到的截面在Q²与|t|上表现出清晰的微分依赖性，最大各向异性出现在中等|t|值处。
• 非相干弹性产生通道对胶子分布的事件-事件涨落敏感，这由关联的角依赖性所证实。
• 包含JIMWLK演化的CGC基模型再现了数据的定性特征，并为未来EIC测量提供了定量解释框架。
• 结果证实，独家弹性过程中的方位角关联是探测小x区域胶子Wigner分布椭圆分量的可行探针。