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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-216563
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.21656
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 16 August 2011 |
| Referee: | Prof. Dr. Andreas Schäfer and Prof. Dr. Werner Vogelsang |
| Date of exam: | 19 July 2011 |
| Institutions: | Physics > Institute of Theroretical Physics > Chair Professor Schäfer > Group Andreas Schäfer |
| Keywords: | QCD, perturbation theory, pion, meson, resummation, asymmetry |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 530 Physics |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 21656 |
Abstract (English)
Over the last fifty years a huge effort in both experimental and theoretical physics has been made to shed light on the internal structure of the constituents of nuclei, the protons and neutrons. In the 1960s, it was Murray Gell-Mann, and independently Georg Zweig, who proposed the quark model originally as a classification scheme for the large number of different hadrons identified in ...
Abstract (English)
Over the last fifty years a huge effort in both experimental and theoretical physics has been made to shed light on the internal structure of the constituents of nuclei, the protons and neutrons. In the 1960s, it was Murray Gell-Mann, and independently Georg Zweig, who proposed the quark model originally as a classification scheme for the large number of different hadrons identified in accelerator experiments by that time. In 1969, on the experimental side groundbreaking results were obtained at the Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). The measured data unambiguously showed that the accelerated electrons interacted with point-like particles within the proton, which were called partons and later identified with the quarks in Gell-Mann's model. This observation laid the ground for the development of Quantum Chromodynamics (QCD), the quantum field theory describing the strong interaction of color-charged particles which build up nuclear matter, namely quarks and gluons.
By means of perturbative QCD an analysis of experimental data from different hadronic processes can be employed to extract so-called parton distribution functions, which parameterize the internal structure of hadrons. Several such analyses have been performed to determine the parton distributions of the proton to a very good accuracy. The same approach has also been used to uncover the internal structure of mesons, especially the pion. Due to its dual role as the lightest quark-antiquark bound state and the Nambu-Goldstone boson of dynamical chiral symmetry breaking in QCD it plays a significant role in strong-interaction physics. It is therefore all the more regrettable that its internal structure is still rather poorly known. Most of the available information comes from Drell-Yan dimuon production. That is the production of a virtual massive photon, which subsequently creates a pair of muons, in the collision of two hadrons. These data have been analyzed using LO and NLO cross sections. However, the behavior of the extracted pion PDFs is at odds with theoretical predictions based on perturbative QCD and several low-energy effective models of hadronic structure. This discrepancy is an important long-standing problem in strong-interaction physics and challenges our understanding of hadronic structure.
In this thesis we try to resolve this issue. We find that in the kinematic regime accessed by the available pion Drell-Yan data perturbative corrections beyond NLO are significant. Near the partonic threshold the cross section receives large logarithmic corrections. It then becomes necessary to take these large corrections into account to all orders by resumming the perturbative series, a technique known as threshold resummation. We perform a new analysis of pion Drell-Yan data including threshold-resummation effects in the calculation of the cross section. In contrast to all previous fixed-order analyses, the extracted valence parton distribution of the pion agrees with predictions based on the QCD parton model and perturbative QCD.
Another topic studied in this thesis are single-spin asymmetries. These are asymmetric observables in high-energy processes with one polarized initial-state particle. Usually they are associated with naive-time-reversal-odd (T-odd) observables. T-odd effects are generally not forbidden in strong interaction physics, but only arise at higher orders in perturbation theory. Although these perturbative corrections are rather small, the predicted T-odd single longitudinal-spin asymmetries can still be measured by means of accurate experiments foreseen for the planned high-luminosity electron-ion collider at RHIC (eRHIC), and may serve as a thorough test for the validity of higher-order QCD predictions. In this thesis we calculate the leading perturbative contribution to the single longitudinal-spin asymmetry in semi-inclusive deep-inelastic scattering.
Translation of the abstract (German)
In den letzten 50 Jahren wurde sowohl auf experimenteller als auch auf theoretischer Seite großer Aufwand betrieben, um die innere Struktur der Nukleonen - der Protonen und Neutronen - zu entschlüsseln. In den 60er Jahren schlugen Murray Gell-Mann und Georg Zweig, unabhängig voneinander, das Quark-Modell als Klassifizierungsschema für die große Zahl der zu dieser Zeit bereits identifizierten ...
Translation of the abstract (German)
In den letzten 50 Jahren wurde sowohl auf experimenteller als auch auf theoretischer Seite großer Aufwand betrieben, um die innere Struktur der Nukleonen - der Protonen und Neutronen - zu entschlüsseln. In den 60er Jahren schlugen Murray Gell-Mann und Georg Zweig, unabhängig voneinander, das Quark-Modell als Klassifizierungsschema für die große Zahl der zu dieser Zeit bereits identifizierten Hadronen vor. 1969 wurden am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) bahnbrechende Ergebnisse erzielt. Die gemessenen Daten bestätigten, dass das Proton aus kleineren Punktteilchen, den Partonen, besteht, die später mit den Quarks in Gell-Manns Modell identifiziert wurden. Diese Beobachtung legte den Grundstein für die Entwicklung der Quantenchromodynamik (QCD), einer Quantenfeldtheorie, die die starke Wechselwirkung von farbgeladenen Teilchen, nämlich den Quarks und Gluonen, beschreibt.
Mit Hilfe von perturbativer QCD können experimentelle Daten verschiedener hadronischer Prozesse analysiert werden und Parton-Verteilungsfunktionen (PDFs) bestimmt werden, die die innere Struktur von Hadronen widerspiegeln. Viele solcher Analysen wurden bereits durchgeführt, um die PDFs des Protons genau zu bestimmen. Dasselbe Verfahren wurde auch angewandt, um die Struktur von Mesonen, v.a. des Pions, aufzudecken. Da das Pion nicht nur der leichteste Bindungszustand von Quarks und Antiquarks ist sonder auch das Nambu-Goldstone Boson der chiralen Symmetriebrechung in QCD, spielt es eine besondere Rolle in der Physik der starken Wechselwirkung. Deshalb ist es umso bedauerlicher, dass seine innere Struktur immer noch kaum bekannt ist. Die meiste Information über das Pion erhält man aus dem Drell-Yan-Prozess, bei dem ein massives, virtuelles Photon in der Kollision zweier Hadronen erzeugt wird. Die entsprechenden Daten wurden bisher mit Störungstheorie bis zur ersten oder zweiten Ordnung analysiert. Allerdings stimmt das Verhalten der extrahierten PDFs nicht mit theoretischen Vorhersagen basierend auf perturbativer QCD oder effektiven Niedrigenergie-Theorien überein. Diese Diskrepanz ist eines der größten und langwierigsten Probleme der Hochenergie-Teilchenphysik.
In dieser Arbeit versuchen wir dieses Problem zu lösen. Es stellt sich heraus, dass in dem kinematischen Bereich, in dem die verfügbaren Drell-Yan-Daten genommen wurden, höhere Korrekturen in Störungstheorie wichtig sind. In der Nähe des sogenannten partonischen "Threshold" enthält der Wirkungsquerschnitt große logarithmische Beiträge. Diese Logarithmen müssen in allen Ordnungen mitgenommen werden indem die Störungsreihe wieder aufsummiert wird. Dieses Vorgehen ist als "Threshold Resummation" bekannt. Wir führen eine neue Analyse der relevanten Drell-Yan-Daten durch, wobei wir resummierte Beiträge bei der Berechnung der Wirkungsquerschnitte berücksichtigen. Im Gegensatz zu allen bisherigen Analysen stimmen unsere Verteilungsfunktionen für das Pion mit den theoretischen Vorhersagen aus dem Parton-Modell überein.
Im letzten Teil der Arbeit beschäftigen wir uns noch mit einem anderen Thema: Single-Spin-Asymmetrien. Dies sind asymmetrische Observablen, die in Hochenergie-Experimenten mit einem polarisierten Teilchen im Anfangszustand auftreten. In der Regel sind diese mit sogenannten "naive-time-reversal-odd" (T-odd) Observablen verknüpft. "T-odd" Effekte sind in QCD zwar erlaubt, aber treten nur in höheren Ordnungen in Störungstheorie auf. Obwohl diese perturbativen Korrekturen sehr klein sind, können die vorhergesagten Asymmetrien in neuen, sehr genauen Experimenten gemessen werden, die am geplanten Elektron-Ion-Collider am RHIC (eRHIC) durchgeführt werden sollen. In dieser Arbeit berechnen wir die führenden perturbativen Beiträge zur longitudinalen Single-Spin-Asymmetrie in semi-inklusiver tiefinelastischer Streuung.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 06:17
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