Tytuł projektu: Wpływ poprawek wyższych twistów na tomografię nukleonu

Opis projektu:

Współczesna fizyka wskazuje, że atomy składają się z ujemnie naładowanych elektronów, będących elementarnymi i punktowymi cząstkami, oraz z dodatnie naładowanych jąder atomowych, które te elektrony otaczają. Jądra atomowe składają się z kolei z protonów i neutronów, które nazywamy nukleonami. Nukleony do pewnego momentu także uważano za cząstki elementarne. Dopiero w latach 60-tych ubiegłego wieku eksperymenty przeprowadzone w Centrum Liniowego Akceleratora Stanforda (ang. Stanford Linear Accelerator Center, SLAC) wskazały na istnienie wewnętrznej struktury nukleonów, co już wcześniej sugerowały doświadczenia Hofstadtera i jego współpracowników. Teoretycy nazwali cząstki tworzące substrukturę nukleonów partonami (nazwa została zaproponowana przez Feynmana), które później zidentyfikowano jako kwarki i gluony.

Ogólne pytania na które staramy się odpowiedzieć dotyczą wyjaśnienia własności nukleonów, takich jak ładunek i masa, używając w tym celu własności partonów. Chromodynamika kwantowa (ang. quantum chromodynamics, QCD) definiuje różne typy obiektów posługujące się własnościami partonów jako podstawowymi stopniami swobody. Na przykład, rozkłady gęstości partonów (ang. parton distribution functions, PDFs) opisują podłużny pęd nukleonu w języku podłużnych pędów kwarków i gluonów. W tym projekcie jesteśmy zainteresowani nawet bardziej bogatymi w informacje obiektami zwanymi uogólnionymi rozkładami partonów (ang. generalized partons distributions, GPDs). Rozkłady te łączą m. in. informacje dotyczącą podłużnego pędu partonów z informacją dotyczącą ich pozycji na płaszczyźnie poprzecznej względem ruchu nukleonu. Pozwala to na zbadanie przestrzennego charakteru protonów i neutronów, co znane jest jako tomografia nukleonu.

Rozkłady GPD są z reguły zdefiniowane w procesach w których cząstka sondująca strukturę nukleonu ma nieskończony pęd. Dwa takie procesy, ważne z punktu obecnego i przyszłego programu doświadczalnego, to i) głęboko wirtualne rozpraszanie comptonowskie (ang. deeply virtual Compton scattering, DVCS), w którym wirtualny foton po oddziaływaniu z partonem przekształca się w rzeczywisty foton, oraz ii) czasopodobne rozpraszanie comptonowskie (ang. time-like Compton scattering, TCS), w którym rzeczywisty foton przekształca się w foton wirtualny. Procesy te były lub są wciąż mierzone w eksperymentach w Narodowym Laboratorium Thomasa Jeffersona (JLab), CERN-ie i DESY, ale również będą badane w przyszłych eksperymentach, w szczególności w zderzaczu elektron-jon, który zostanie wybudowany z Narodowym Laboratorium w Brookhaven (BNL).

W eksperymentach nie sposób osiągnąć limitu, w którym cząstka sondująca nukleon ma nieskończony pęd. To sugeruje, że konieczne jest uwzględnienie poprawek odwrotnie proporcjonalnych do tego pędu, które w QCD nazywamy poprawkami wyższych twistów (ang. higher-twist corrections). Obecnie fenomenologia GPD unika konieczności uwzględnienia tych poprawek, przez ograniczenie się do obszaru kinematycznego w których poprawki te można zaniedbać. W praktyce oznacza to, że część dostępnych już danych eksperymentalnych nie może być zanalizowana pod kątem informacji dotyczącej struktury materii. Wzięcie pod uwagę poprawek wyższych twistów pozwoliłoby na uniknięcie tego problemu. W tym celu proponujemy program badawczy składający się z trzech zadań:

Zadanie 1: Fenomenologia procesu DVCS dla obecnych i przyszłych eksperymentów. Zadanie to dotyczy analizy dostępnych danych eksperymentalnych dla procesu DVCS, biorąc pod uwagę poprawki wyższych twistów. Poprawki te zostaną zaimplementowane w platformie PARTONS, będącej wszechstronnym narzędziem typu open-source do analizy rozkładów GPD. Zadanie obejmuje także ocenę wpływu poprawek w kinematyce przyszłego zderzacza EIC.

Zadanie 2: Kinematyczne poprawki wyższych twistów dla procesu TCS. W tym zadaniu poprawki wyższych twistów zostaną wyznaczone dla procesu TCS. Porównanie uzyskanych wyników ze znanymi już wzorami dla procesu DVCS pozwoli na analityczne studia struktury poprawek i ich wpływu na udowodnienie uniwersalności rozkładów GPD z porównania danych DVCS i TCS.

Zadanie 3: Fenomenologia procesu TCS dla obecnych i przyszłych eksperymentów. Rezultaty uzyskane w Zadaniu 2 staną się podstawą do analizy danych eksperymentalnych dla procesu TCS. Pierwszym elementem zadania będzie implementacja poprawek dla procesu TCS w platformie PARTONS. Pozwoli to m. in. na sprawdzenie uniwersalności opisu wielu procesów w języku rozkładów GPD. Podobnie jak w Zadaniu 1 wyznaczymy spodziewany wpływ poprawek w kinematyce zderzacza EIC.

Kierownik projektu: mgr Victor Martínez-Fernández

Przyznane środki: 103 789 zł

Źródło finansowania: NCN PRELUDIUM 20