[论文解读] Heavy Quark Production in CC and NC DIS and The Structure of Real and Virtual Photons in NLO QCD

I. Schienbein|ArXiv.org|Oct 23, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 3

一句话总结

本论文对带电流和中性流深度非弹性散射（DIS）中的重夸克产生过程进行了下一阶修正（NLO）QCD分析，涵盖粲夸克的碎片化过程以及实光子和虚光子的结构。该研究推导出虚光子的精确部分子分布函数，并通过 $ep$ 实验数据进行验证，表明QCD改进的虚光子部分子内容在高能DIS实验中可观测。

ABSTRACT

This thesis consists of two parts. In the first part heavy quark production in neutral current and charged current DIS is studied within the variable flavor number scheme of Aivazis, Collins, Olness, and Tung (ACOT). For this purpose all the relevant partonic subprocesses have been calculated to order O(α_s^1) for general masses and couplings taking into account massive initial state quark-partons as needed in the variable flavor number scheme of ACOT. By the calculation of the before missing radiative corrections to scattering amplitudes on massive quark partons the ACOT scheme could be completed to full order O(α_s^1). These results might also prove useful for studying the intrinsic charm content of nucleons. In the second part the parton content of pions and real and virtual photons is analyzed in leading order (LO) and next-to-leading oder (NLO) QCD within the framework of the radiative parton model of Glück, Reya, and Vogt (GRV). Furthermore, the factorization of the cross section for the process e^+ e^- -> e^+ e^- X into fluxes of transverse/longitudinal target photons and the cross sections for deep inelastic scattering off these target photons is investigated in detail. It is demonstrated that the factorization remains valid also for virtual P^2 \= 0 target photons in the Bjorken limit P^2 << Q^2. However, the neglected terms are of the order O(\sqrt{P^2/Q^2}) only and not of the order O(P^2/Q^2) as might have been naively expected. Finally, the photon structure functions have been calculated in lowest order perturbation theory according to the doubly virtual box γ^*(P^2) γ^*(Q^2) -> q \bar{q}. A useful compilation of various limits of these general expressions is provided.

研究动机与目标

• 将重夸克产生理论框架在QCD中扩展至超越一阶的带电流和中性流深度非弹性散射（CC和NC DIS）.
• 研究在NLO下，特别是变味数方案中，重夸克质量与胶子融合对深度非弹性结构函数的作用.
• 利用NLO QCD计算，对半包容DIS中的粲夸克碎片化函数进行建模.
• 为实光子和虚光子发展一种辐射生成的部分子模型，包含 $Q^2$-演化和边界条件.
• 检验QCD-重整化群改进的虚光子部分子内容是否可在实验 $ep$ 数据中观测到。

提出的方法

• 采用ACOT（反夸克阈值）方案，在 $\mathcal{O}(\alpha_s)$ 阶计算中性流和带电流DIS中重夸克对结构函数的贡献.
• 在NLO计算中使用 $\overline{\text{MS}}$ 方案，并对部分子分布的 $Q^2$-演化执行解析Mellin反演.
• 推导出在重夸克过程中的实胶子和虚胶子发射的减法项，以处理红外奇点.
• 利用 $s = \ln[\ln(Q^2/\Lambda^2)/\ln(\mu^2/\Lambda^2)]$ 构建实光子和虚光子的‘点状’部分子分布的参数化.
• 将虚光子结构函数的理论预测与 $e^+e^-$ 及 $ep$ 数据进行比较，使用有效结构函数 $F_{\text{eff}}$.
• 采用组分夸克模型估算π介子部分子密度，作为光子结构计算的输入。

实验结果

研究问题

• RQ1 在NLO QCD下，重夸克贡献如何改变中性流和带电流深度非弹性结构函数？
• RQ2 在半包容DIS中，胶子融合与虚修正在粲夸克产生中起什么作用？
• RQ3 QCD改进的虚光子部分子内容是否可在高能 $ep$ 散射实验中观测到？
• RQ4 在NLO框架下，实光子和虚光子的部分子分布函数如何随 $Q^2$ 演化？
• RQ5 何种虚光子部分子分布的参数化形式能最好地描述宽范围 $x$ 和 $Q^2$ 的实验数据？

主要发现

• 在带电流和中性流DIS中，重夸克结构函数的NLO计算显示，虚胶子和实胶子发射在低 $x$ 区域带来显著修正。
• 在半包容DIS中，粲夸克碎片化函数能被NLO框架良好描述，且为 $u$、$d$ 和 $g$-型部分子提供了显式参数化形式。
• 虚光子的部分子内容通过QCD演化辐射生成，其 $Q^2$-依赖性通过式 (D.19)–(D.23) 中的 $s$-参数化被精确捕捉。
• 虚光子的有效结构函数 $F_{\text{eff}}$ 与 $ep$ 数据表现出良好一致性，支持QCD改进部分子内容的可观测性。
• 对虚光子的‘点状’部分子分布的参数化在 $0.5 \lesssim Q^2 \lesssim 10^5$ GeV$^2$ 和 $10^{-5} \lesssim x < 1$ 范围内有效，其系数依赖于质心系能量 $\sqrt{s}$。
• 该模型预测在小 $x$ 区域，虚光子结构函数出现强烈上升，与 $\sim \ln(1/x)^{\text{power}}$ 行为一致，与 $e^+e^-$ 和 $ep$ 实验观测相符。