[论文解读] Imaging partons in exclusive scattering processes

Markus Diehl|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2012

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

一句话总结

本文提出利用拟议中的电子-离子对撞机（EIC）上的深度虚拟康普顿散射（DVCS）和稀有J/Ψ产生过程，通过广义部分子分布（GPDs）成像质子中部分子（夸克、反夸克和胶子）的空间分布。通过测量横向动量转移并应用傅里叶变换以提取影响参数分布，EIC可在纵向动量分数x和横向位置b上精确解析部分子密度，实现对QCD动力学的断层成像，包括通过横向极化的质子探测轨道角动量效应。

ABSTRACT

The spatial distribution of partons in the proton can be probed in suitable exclusive scattering processes. I report on recent performance estimates for parton imaging at a proposed Electron-Ion Collider.

研究动机与目标

• 开发一种利用独态散射过程成像质子中部分子空间分布的方法。
• 证明可通过广义部分子分布（GPDs）及其在Q²上的演化，重建部分子动量分数x与影响参数b的联合分布。
• 评估电子-离子对撞机（EIC）对分辨海夸克、价夸克和胶子在广泛x和b范围内的横向结构的敏感度。
• 通过横向极化质子中GPD E的测量，探索轨道角动量和手征对称性自发破缺的作用。
• 基于现有HERA测量和理论模型的模拟数据，验证EIC的物理潜力。

提出的方法

• 使用能再现H1和ZEUS数据的GPD模型模拟DVCS和J/Ψ产生截面，t依赖性建模为exp[t(B² + α′ log(1/x))].
• 对微分截面dσ/dt应用傅里叶变换，以提取影响参数分布F(x, b)，即横平面中部分子的空间密度。
• 使用具有真实探测器接受度、能量分辨率和系统误差（5%非相关）的伪数据，模拟Ee = 20 GeV和Ep = 250 GeV下的EIC条件。
• 对DVCS截面和横向极化质子自旋不对称性进行联合拟合，以同时提取海夸克和胶子的GPD H和E。
• 使用改进的PYTHIA生成器模拟独态J/Ψ产生，e−p →e−J/Ψp →e−e+p，考虑运动学接受度和10 fb⁻¹的亮度。
• 分析t谱并提取⟨b²⟩对xB和Q²的依赖关系，以探测部分子分布的空间范围和对数标度违反。

实验结果

研究问题

• RQ1 电子-离子对撞机能否通过独态散射过程分辨质子中部分子的空间分布？
• RQ2 在GPDs及其在Q²上的演化下，x和b的联合分布能在多大程度上被重建？
• RQ3 EIC在多大程度上能区分胶子与海夸克在低x区域的横向空间分布？
• RQ4 EIC能否测量由于轨道角动量导致的GPD E中编码的影响参数分布偏移？
• RQ5 EIC对大b处部分子密度指数衰减的敏感度如何，该衰减由手征对称性自发破缺所预测？

主要发现

• EIC能够以高精度解析平均平方影响参数⟨b²⟩对xB和Q²的依赖关系，揭示海夸克和胶子分布中的对数标度违反。
• 海夸克和胶子的影响参数分布F(x, b)可在宽范围b（高达~2 fm）内重建，不确定性通过拟合dσ/dt并外推至未测量的t区域量化。
• 模拟结果表明，即使在10 fb⁻¹的有限亮度下，EIC也能在xV范围（从0.0016到0.25）内以高统计和系统精度成像J/Ψ产生中胶子的空间结构。
• 横向极化质子使EIC能够提取海夸克的GPD E，对胶子的提取程度较低，从而可探测轨道角动量贡献。
• 模型预测在大b处部分子密度呈指数衰减，斜率约为~0.7 fm⁻¹，与手征对称性自发破缺一致，该行为可在EIC上通过实验检验。
• 即使在有限亮度（10 fb⁻¹）下，EIC也能实现足够精度，以区分不同部分子种类，并探测影响空间中的非微扰QCD动力学。