[论文解读] Probing the gluonic structure of the nucleon through quarkonium production

S. Joosten|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2018

Superconducting Materials and Applications参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出通过电子-质子碰撞中的夸克onium产生来探测核子的胶子结构，其中杰夫森实验室SoLID实验的近阈值 $J/\psi$ 产生将实现对量子色动力学迹异常和质子质量起源的精确测量，而电子-离子对撞机（EIC）的高能 $J/\psi$ 和 $\Upsilon$ 电产生将实现胶子的三维断层成像，并以更小的理论不确定性确定胶子半径。

ABSTRACT

Heavy quarkonium production will provide for novel opportunities to study the gluonic structure of the nucleon in the near future. Near threshold quarkonium production allows for direct experimental access of the dynamic origin of the nucleon mass as well as the nature of the color Van der Waals force, while quarkonium production at high energies can be used to create a full three-dimensional tomographic image of the gluons inside the nucleon, constraining the gluonic radius of the nucleon.

研究动机与目标

• 通过杰夫森实验室的近阈值 $J/\psi$ 电产生和光产生，实验约束QCD迹异常，这是质子质量的关键贡献者。
• 研究夸克onium与核子之间色范德瓦尔斯力的性质，该力可能导致如 $J/\psi$-核子共振态等束缚态的形成。
• 利用高能下 $J/\psi$ 和 $\Upsilon$ 的弹性电产生，实现核子内部胶子的三维断层成像。
• 通过比较杰夫森实验室的 $J/\psi$ 数据与EIC的 $\Upsilon$ 数据，减少胶子结构测量中的理论不确定性。
• 通过结合不同夸克onium系统与能量区间的实验数据，检验广义部分子分布（GPDs）的普遍性。

提出的方法

• 利用杰夫森实验室SoLID探测器在近阈值下进行弹性 $J/\psi$ 电产生，通过 $\gamma p \to J/\psi p$ 截面测量访问迹异常。
• 将 $\gamma p \to e^+e^-p$ 中的前后不对称性作为新可观测量，约束 $J/\psi$-核子散射振幅与结合能。
• 利用高能 $\Upsilon$ 电产生，通过Mandelstam-$t$分布的傅里叶变换提取胶子广义部分子分布（GPD）。
• 通过对数似然分析评估在 $J/\psi p$ 产生中对 $P_c$ 五价子共振态的探测灵敏度，假设 $P_c$–$J/\psi$–$p$ 耦合常数为5%。
• 结合杰夫森实验室的 $J/\psi$ 数据与EIC的 $\Upsilon$ 数据，交叉验证胶子GPD，并减少高阶QCD修正带来的不确定性。
• 利用格点QCD与现象学分散框架，建模色范德瓦尔斯力并预测夸克onium-核子系统中的结合能。

实验结果

研究问题

• RQ1 QCD迹异常对质子质量的贡献是多少？能否通过近阈值 $J/\psi$ 产生实现其实验测量？
• RQ2 夸克onium与核子之间色范德瓦尔斯力的强度与性质如何？它是否支持 $J/\psi$-核子束缚态的存在？
• RQ3 高能下 $J/\psi$ 与 $\Upsilon$ 的弹性电产生能否提供质子内部胶子结构的三维断层成像？
• RQ4 高阶QCD修正如何影响胶子GPD的提取？与 $J/\psi$ 测量相比，EIC中 $\Upsilon$ 产生能否更有效地减少这些不确定性？
• RQ5 LHCb发现的五价子在探测 $J/\psi$-核子相互作用中起什么作用？其性质能否由色范德瓦尔斯力解释？

主要发现

• 杰夫森实验室的SoLID实验预计可达到足够的统计精度，通过近阈值 $J/\psi$ 电产生与光产生约束QCD迹异常，总积分亮度为43.2 ab$^{-1}$。
• 提出 $\gamma p \to e^+e^-p$ 中的前后不对称性作为新可观测量，用于测量 $J/\psi$-核子散射振幅与结合能，预测结合能为 $2.7 \pm 0.3$ MeV。
• EIC中的 $\Upsilon$ 弹性电产生预计可高精度提取胶子GPD，使用100 fb$^{-1}$ 亮度与10 GeV电子束撞击100 GeV质子束。
• $\Upsilon$ GPD测量的理论不确定性预计将显著降低，因为底夸克质量较大，可抑制高阶修正，相比 $J/\psi$ 更优。
• 通过 $\Upsilon$ 产生中 $t$-分布的傅里叶变换，可提取质子的胶子半径，其中影响参数 $b_T$-依赖性在高 $b_T$ 区域提供关键灵敏度。
• 结合 $J/\psi$ 与 $\Upsilon$ 数据可实现胶子GPD的普遍性检验，$\Upsilon$ 数据可作为 $J/\psi$ 结果的低理论不确定性基准。