[论文解读] Quark Asymmetries and Intrinsic Charm in Nucleons

Johan Alwall|ArXiv.org|Aug 11, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种基于高斯动量涨落和强子海涨落（如 pπ⁰、nπ⁺、ΛK）的质子结构非微扰模型，自然地解释了夸克不对称性和本征底夸克。该模型成功再现了大 x 区域 EMC 对底夸克结构函数的超额，并在标准模型范围内预测了足够大的奇异海不对称性，从而解决了 NuTeV 异常问题。

ABSTRACT

We have developed a physical model for the non-perturbative x-shape of parton density functions in the proton, based on Gaussian fluctuations in momenta, and quantum fluctuations of the proton into meson-baryon pairs. The model describes the proton structure function and gives a natural explanation of observed quark asymmetries, such as the difference between the anti-up and anti-down sea quark distributions and between the up and down valence distributions. We find an asymmetry in the momentum distribution of strange and anti-strange quarks in the nucleon, large enough to reduce the NuTeV anomaly to a level which does not give a significant indication of physics beyond the standard model. We also consider charmed fluctuations, and show that they can explain the excess at large x in the EMC F2c data.

研究动机与目标

• 开发一种超越任意参数化的、具有物理动机的质子部分子分布函数模型。
• 解释观测到的夸克不对称性，例如 $\bar{d}/\bar{u}$ 比值和 $s$-$\bar{s}$ 不对称性。
• 通过本征底夸克解释 EMC $F_2^c$ 数据在大 $x$ 区域的超额。
• 检验标准模型内是否存在非零 $s$-$\bar{s}$ 不对称性能解释 NuTeV 异常。

提出的方法

• 使用基于核子尺寸和不确定度原理导出的宽度的高斯波函数建模价夸克部分子动量分布。
• 通过强子涨落（如 $|p\pi^0\rangle$、$|n\pi^+\rangle$、$|\Lambda K\rangle$）描述海夸克，采用独立的高斯宽度和归一化系数。
• 使用蒙特卡洛积分计算 $x$ 分布，同时施加运动学约束以确保 $0 < x < 1$。
• 从低起始尺度 $Q_0 = 0.75\,\text{GeV}$ 应用下一阶微扰 QCD 赝变至更高 $Q^2$。
• 通过全局数据集（$F_2$ 结构函数、$\bar{d}/\bar{u}$ 不对称性、$W^\pm$ 电荷不对称性及奇异海数据）拟合模型参数（高斯宽度和归一化系数）。
• 通过 $|\Lambda_C \bar{D}\rangle$ 和 $|p J/\psi\rangle$ 涨落引入本征底夸克，其归一化与 $1/\Delta M_{BM}$ 或 $1/\Delta M_{BM}^2$ 成正比。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于高斯动量涨落和强子海态的非微扰模型能否解释质子海夸克中观测到的 $\bar{d}/\bar{u}$ 不对称性？
• RQ2 该模型是否预测了与 NuTeV 测量一致的显著 $s$-$\bar{s}$ 动量不对称性，从而在标准模型内解决 NuTeV 异常？
• RQ3 该模型能否在不引入新物理的前提下解释 EMC $F_2^c$ 数据在大 $x$ 区域的超额？
• RQ4 质子中本征底夸克分布的形状和归一化为何？与现有模型相比如何？
• RQ5 结果对胶子强子涨落归一化的选取有多敏感？

主要发现

• 该模型仅使用四个形状参数和三个归一化参数，通过全局拟合即可重现 $F_2$ 结构函数和 $\bar{d}/\bar{u}$ 不对称性数据。
• 预测的 $s$-$\bar{s}$ 不对称性足够大，可在不引入标准模型之外的新物理的前提下解决 NuTeV 异常。
• 该模型通过形状匹配的本征底夸克组分解释了 EMC 在大 $x$ 区域对 $F_2^c$ 的超额，最佳拟合归一化结果为 0.45% 的本征底夸克。
• 该模型中本征底夸克分布的形状与早期模型不同，即使归一化相同，也比 Brodsky 等人的模型更好地拟合 EMC 数据。
• 该模型对 $p\bar{p}$ 碰撞中 $W^\pm$ 电荷不对称性的预测与实验数据一致，验证了价夸克 $u$ 和 $d$ 分布相对宽度的合理性。
• 对涨落归一化的敏感性较低，本征底夸克组分的估计值在 0.18% 至 0.9% 之间，具体取决于归一化是否按 $1/\Delta M_{BM}$ 或 $1/\Delta M_{BM}^2$ 缩放。