[论文解读] QCD Factorization and Re-scattering in Proton-Nucleus Collisions

Jian-Wei Qiu|ArXiv.org|May 15, 2003

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 11被引用 4

一句话总结

该论文将微扰QCD因子化方法拓展至质子-核碰撞中来自部分子再散射的高阶修正，证明了初始态与末态相互作用引起的$A^{1/3}$增强型高阶扭曲项可利用通用关联函数在所有阶次上实现因子化。关键结果表明，强子-核碰撞中的硬探针在主导幂次之外仍保持因子化，从而可精确提取致密物质中的核部分子分布与部分子动力学。

ABSTRACT

The extension of the factorization theorems of perturbative QCD to power corrections associated with re-scattering in nuclear collisions is reviewed. The importance of hadron-nucleus collisions is discussed.

研究动机与目标

• 将微扰QCD的因子化定理拓展至包含核碰撞中部分子再散射的幂次修正。
• 在核介质中对多重散射机制——初始态、末态及内部核相互作用——进行分类与分析。
• 确定质子-核碰撞中来自再散射的$A^{1/3}$增强型幂次修正是否可被因子化，而此类因子化在核-核系统中并不成立。
• 评估微扰QCD对质子-核碰撞中半硬可观测量的预测能力，特别是与LHC实验相关的极小-$x$区域。
• 建立一个利用核碰撞中硬探针分离非微扰核效应的框架，应用于部分子分布与 fragmentation 函数。

提出的方法

• 利用QCD因子化定理，将强子截面中的短程（硬散射）与长程（部分子分布、分裂函数）物理过程分离。
• 将多重部分子散射分为三类：内部核相互作用、初始态相互作用（ISI）与末态相互作用（FSI），如图3所示。
• 引入扭曲-4关联函数$T^{(2n)}_{(i_n)/A}(x_i)$，以描述双散射引起的$A^{1/3}$增强型幂次修正，其卷积涉及部分子动量分数。
• 推导出幂次修正的因子化形式：$E_h \frac{d\sigma^{(2n)}}{d^3p'} = \sum f_{j/B} \otimes D_{h/k} \otimes T^{(2n)}_{(i_n)/A} \otimes \hat{\sigma}^{(2n)}$，该式在$1/Q^2$的所有幂次下均成立。
• 通过半经典近似估算非微扰尺度$\lambda^2$，其中$\lambda^2_{\rm ISI} \sim 0.01~\text{GeV}^2$，依据Drell-Yan实验数据。
• 对比质子-核与核-核碰撞中的因子化行为，表明仅前者可在次-leading幂次以上系统性地实现$A^{1/3}$增强修正的因子化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在质子-核碰撞中，来自部分子再散射的$A^{1/3}$增强型幂次修正能否被分解为通用关联函数？
• RQ2 初始态与末态相互作用如何修改核碰撞中硬过程的标准因子化公式？
• RQ3 为何在相同幂次阶数下，高阶扭曲修正在质子-核碰撞中可因子化，而在核-核碰撞中则不可？
• RQ4 软胶子场与长程相互作用在末态相互作用中如何增强非微扰尺度$\lambda^2$？
• RQ5 碎片化部分子的非壳外性质与$A^{1/3}$增强型双散射在Drell-Yan与喷注产生中的幂次修正中分别起多大作用？

主要发现

• 当用有效核部分子分布代替自由核子分布时，质子-核碰撞中硬探针的标准主导幂次因子化公式（式1）依然有效。
• 核内部的初始态相互作用会修改部分子分布，但保持因子化性质，其有效分布为通用的扭曲-2分布，尽管由于DGLAP演化与非微扰输入而具有$A$依赖性。
• ISI与FSI引起的双散射贡献导致与$\alpha_s A^{1/3} \lambda^2 / p_T^2$成比例的幂次修正，其中$\lambda^2_{\rm ISI} \approx 0.01~\text{GeV}^2$由Drell-Yan数据得出。
• 末态相互作用的$\lambda^2$不必然等于初始态相互作用的$\lambda^2$，这是由于瞬时长程场相互作用导致额外的软胶子产生。
• 与核-核碰撞中此类因子化在次-leading幂次以上失效不同，$A^{1/3}$增强型幂次修正可通过扭曲-4关联函数$T^{(2n)}_{(i_n)/A}$在所有阶次上实现因子化。
• 质子-核碰撞中的半硬可观测量仍适用于pQCD因子化，而pQCD对核-核碰撞中类似可观测量的预测则因高阶扭曲下缺乏因子化而不可靠。