高能轻子核子深度非弹性散射过程末态粒子的方位角不对称

论文摘要

核子结构是现代物理学的重要课题。在理论和实验两方面推动下,核子结构的研究在近三十年内取得了长足进步,已经从领头扭度部分子分布函数推广到高扭度部分子关联函数（其贡献是Λ/Q幂次压低的）,从横动量积分的一维部分子分布/关联函数q（x）推广到横动量依赖的（TMD）三维部分子分布/关联函数q（x,k→）。高能轻子核子深度非弹性散射（DIS）过程是核子结构研究的重要手段,而观测量包含末态喷注（强子）的半单举轻子核子深度非弹性散射（SIDIS）过程能够探测核子结构的更多信息。半单举深度非弹过程末态粒子方位角分布不对称是一类重要的观测量,是国际上如HERMES、COMPASS、JLab等定位于核子结构研究的大型实验合作组的重要观测量之一。在中低横动量区域,高扭度对末态粒子方位角不对称的贡献不可忽略,利用系统的方法处理高扭度贡献对于核子结构研究和QCD理论都具有重要的意义。计算高扭度对反应截面贡献的标准方法是由Ellis、Furmanski、Petronzio、邱建伟和Sterman等发展的共线展开技术。共线展开技术的基本步骤是：首先,将部分子硬散射过程对部分子动量在共线动量方向k=xp附近作泰勒展开,同时将胶子场分解为共线分量和非共线分量；其次,利用Ward恒等式联系不同阶部分子散射矩阵；再次,将全部项加和、整理,得到规范不变的部分子关联矩阵；最后,把部分子关联矩阵用7-矩阵展开,得到强子张量和截面,并示用QCD运动方程将所有矩阵元约化到一个完备集。利用上述共线展开技术,人们得到了扭度-4部分子关联函数对单举轻子核子深度非弹过程的贡献。我们组梁作堂和王新年将上述共线展开技术推广到半单举轻子核子深度非弹过程eN→eqX中。他们发现,如果考虑末态喷注产生这种相对于强子产生更为简单的情况,半单举深度非弹（SIDIS）过程和单举深度非弹（DIS）过程的差别只是运动学因子δ2（k→’-k→）,这个运动学因子不影响共线展开技术的应用,但是它会将分离出来的分布/关联函数变成横动量依赖的。以此发现为基础,他们得到轻子不极化、核子横向极化情况下扭度-3层次上eN→eqX过程的截面和方位角不对称<cosφ>。本论文的第一个工作,就是在我们组工作的基础上,计算轻子、核子各种极化组合下eN→eqX过程反应截面和方位角不对称的形式,进而将共线展开技术推广到扭度-4层次上非极化半单举轻子核子深度非弹过程eN→eqX中,得到截面和方位角不对称<cos 2φ>的形式。结果表明,方位角不对称<cos 2φ>正比于高扭度部分子关联函数与领头扭度部分子分布函数的比,两者都是规范不变的物理量。末态喷注的方位角不对称<cosφ>和<cos 2φ>的测量是研究核子高扭度部分子关联函数的有效手段。研究方位角不对称的核依赖,是本论文的另一个工作。我们组提出的一个描写核环境对部分子分布函数影响的模型指出,产生规范链的胶子线可以连接到原子核内部的不同核子上,使得规范链中包含了原子核内部核子分布的信息。在双胶子关联近似下,这个模型会导致横动量分布出现简单的高斯展宽,但进一步的分析却表明这个模型也会导致方位角不对称<cosφ>的核抑制效应。本文在此工作的基础上,利用这个模型去研究更高阶的方位角不对称。结果表明,方位角不对称(cos2Φ>存在更强的核抑制效应。最终的物理结论是：原子核对部分子横动量分布的影响是让它更胖（横动量分布的展宽效应）更圆（方位角不对称的核抑制效应）。初步建立从现有实验数据抽取高扭度部分子关联函数参数化形式的方法,是本论文的第三个工作。高扭度部分子关联函数和领头扭度部分子分布函数一样,都是非微扰QCD动力学决定的物理量,人类目前尚无良方去从第一原理出发给出它们的解析形式,而只能从实验数据中抽取它们的参数化形式。本论文总结了当前半单举轻子核子深度非弹过程末态粒子方位角不对称的实验数据,以及目前人们处理这个过程高扭度对方位角不对称贡献的做法,强调高扭度关联函数的参数化对于Boer-Mulders函数的抽取也具有重要意义。论文只考虑高扭度部分子关联函数造成的影响,在末态简单的放入领头扭度碎裂函数。作者独立编写了以微分演化算法为核心的Fortran拟合程序,并根据微分演化算法的特性给出了快速确定参数不确定范围的方法。论文利用ZEUS组和EMC组的部分数据,对高扭度关联函数的参数化形式做了初步拟合,结果具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 部分子分布函数
• 1.1.1 深度非弹性散射过程运动学与扭度的定义
• 1.1.2 朴素部分子模型与部分子分布函数
• 1.1.3 规范不变的部分子分布函数
• 1.2 高扭度贡献与轻子核子深度非弹过程方位角不对称
• 1.2.1 部分子内禀横动量与方位角不对称
• 1.2.2 Callan-Gross关系的破坏
• 1.2.3 小结
• 1.3 描述半单举深度非弹过程的理论
• 2 半单举轻子核子深度非弹性散射过程末态粒子的方位角不对称
• 2.1 共线展开技术与单举深度非弹过程高扭度贡献
• 2.1.1 单举轻子核子深度非弹过程中的共线展开技术
• 2.1.2 单举深度非弹（DIS）过程扭度-4的贡献
• 2.2 共线展开与半单举轻子核子深度非弹过程
• 2.2.1 共线展开到半单举轻子核子深度非弹过程的推广
• 2.2.2 半单举轻子核子深度非弹过程的计算框架
• 2.3 半单举轻子核子深度非弹过程末态粒子的方位角不对称
• 2.3.1 扭度-3层次上半单举深度非弹过程的反应截面及末态粒子方位角不对称
• 2.3.2 扭度-4层次上半单举深度非弹过程的反应截面及末态粒子方位角不对称
• 2.4 本章小结
• 3 方位角不对称的核依赖
• 3.1 描述核环境对部分子分布函数影响的物理图像
• 3.1.1 规范不变的横动量依赖的核部分子分布函数
• 3.1.2 双胶子关联近似
• 3.1.3 横动量依赖的核部分子分布函数与核子部分子分布函数的关系
• 3.2 方位角不对称的核抑制效应
• 的核抑制效应'>3.2.1 方位角不对称的核抑制效应
• 的核抑制效应'>3.2.2 方位角不对称的核抑制效应
• 3.3 本章小结
• 4 高扭度部分子关联函数的初步拟合
• 4.1 SIDIS过程中方位角不对称的实验数据与高扭度部分子关联函数的参数化
• 4.2 高扭度部分子关联函数拟合的模型和方法
• 4.2.1 碎裂函数对方位角不对称的稀释效应
• 4.2.2 高扭度部分子关联函数的参数化形式
• 4.2.3 拟合参数最优值和不确定范围
• 4.2.4 微分演化为核心的拟合程序
• 4.3 高扭度部分子关联函数的初步拟合结果
• 4.4 本章小结
• 5 总结与展望
• 附录A 夸克-胶子-夸克关联矩阵的展开式
• 附录B QCD运动方程对矩阵元的约化
• 参考文献
• 致谢
• 发表论文
• 外文论文
• 学位论文评阅及答辩情况表