[论文解读] QCD analysis of diffractive phenomena

L. Schoeffel|ArXiv.org|Jul 25, 2007

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文对 HERA 和 Tevatron 上的 diffractive 过程进行了 QCD 分析，采用 dipole 模型和 generalized parton distributions (GPDs) 描述带有 rapidity gap 的硬 diffractive 散射。结果表明，高能下 color-singlet 胶子-二夸克系统的横向尺寸保持较小，与微扰 QCD 一致，并强调了在 LHC 上通过前向 Roman pot 探测器中质子的分解实现清洁、高分辨率测量的独家 Higgs 玻色子产生是未来关键应用。

ABSTRACT

The most important results on subnuclear diffractive phenomena obtained at HERA and Tevtaron are reviewed and new issues in nucleon tomography are discussed. Some challenges for understanding diffraction at the LHC, including the discovering of the Higgs boson, are outlined.

研究动机与目标

• 理解 HERA 上深度非弹性散射中大量 rapidity gap 事件的起源，这些事件因 color-singlet 交换的指数抑制而挑战标准 QCD 预期。
• 通过分析 Tevatron 上的硬标度在 diffractive DIS 和硬 diffractive jet 产生中的表现，研究微扰 QCD 描述在 diffractive 过程中的可行性。
• 基于 dipole 模型和 generalized parton distributions (GPDs) 建立理论框架，以描述 Pomeron 的空间和动量结构及其部分子内容。
• 探索 LHC 上 exclusive diffractive 过程的潜力，特别是通过前向 Roman pot 探测器中质子的分解实现 Higgs 玻色子探测。
• 利用 HERMES 实验中 DVCS/Bethe-Heitler 干涉测量约束核子中夸克的总角动量。

提出的方法

• 应用 color-dipole 模型描述虚拟光子涨落为 $q\bar{q}$ 对，其中 dipole 通过两胶子交换在 color-singlet 状态下相互作用。
• 使用傅里叶变换将影响参数空间分布 $g(x, R_\perp; Q^2)$ 与前向振幅 $F_g(x,t; Q^2)$ 的 $t$-依赖性联系起来，从斜率 $b$ 提取横向尺寸 $\langle r_T^2 \rangle$。
• 利用 generalized parton distributions (GPDs) 描述部分子的动量和角动量结构，包括不等动量转移引起的偏移效应。
• 通过 HERMES 实验中测量 deeply virtual Compton scattering (DVCS) 与 Bethe-Heitler (BH) 过程的干涉，以探测 GPDs，利用自旋和电荷不对称性。
• 通过双 Pomeron 交换建模 LHC 上质子-质子碰撞中的 exclusive Higgs 玻色子产生，其中两个质子保持完整并在前向 Roman pots 中被探测。
• 利用关系式 $M^2 = s x_{\rm l\!P,1} x_{\rm l\!P,2}$ 从测量到的质子动量损失中高分辨率重建 Higgs 质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 QCD 框架内，如何解释 HERA 上观察到的具有 rapidity gap 的大量 diffractive 事件，尽管此类 gap 在标准微扰 QCD 中呈指数抑制？
• RQ2 在高能和高虚度下，diffractive 系统的横向空间尺寸是多少？它是否如非微扰模型所预期的那样随能量增长？
• RQ3 generalized parton distributions (GPDs) 如何提供对核子中夸克总角动量的访问？对 $J_u$ 和 $J_d$ 可施加何种约束？
• RQ4 在 LHC 上，通过 diffractive $pp$ 碰撞实现的 exclusive Higgs 玻色子产生是否可作为 Higgs 玻色子研究的清洁、高分辨率通道？
• RQ5 Pomeron 的部分子结构在硬 diffractive 过程中起什么作用？resolved Pomeron 模型与 Tevatron 数据相比表现如何？

主要发现

• 在 $x_{\rm Bj} \simeq 10^{-3}$ 和高 $Q^2$ 条件下，diffractive DIS 中 $q\bar{q}$ dipole 系统的横向尺寸测量为 $\sqrt{\langle r_T^2 \rangle} = 0.65 \pm 0.02$ fm，与微扰 QCD 预测一致。
• 胶子分布的 $t$-斜率 $b$ 满足 $2b = \langle r_T^2 \rangle$，且不随能量增加，表明辐射云未发生扩展。
• HERMES 数据首次在 $J_u$-$J_d$ 平面提供了直接约束，表明核子中 $u$ 和 $d$ 夸克的总角动量与格点 QCD 结果一致。
• 在 LHC 上，通过双 Pomeron 交换实现的 $pp$ 碰撞中 exclusive Higgs 玻色子产生是可行的，两个质子在前向 Roman pots 中被探测，Higgs 质量可从 $x_{\rm l\!P,1}$ 和 $x_{\rm l\!P,2}$ 高分辨率重建。
• dipole 模型成功描述了 HERA 数据，但无法解释 Tevatron 数据，表明可能存在额外动力学，如 gap 保存或多重相互作用。