Soft-gluon resummation for high-pT inclusive-hadron production at COMPASS

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Pfeuffer, Melanie

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Date of publication of this fulltext: 17 Dec 2013 10:02

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	17 December 2013
Referee:	Prof. Dr. Andreas Schäfer and Prof. Dr. Werner Vogelsang
Date of exam:	19 November 2013
Institutions:	Physics > Institute of Theroretical Physics > Chair Professor Schäfer > Group Andreas Schäfer
Keywords:	theoretical particle physics, perturbative QCD, threshold resummation, COMPASS, rapidity-dependent
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:	29229

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Abstract (English)

Abstract (English)

One of the experiments that may be used to probe the nucleon's gluon distribution is the fixed-target lepton scattering experiment COMPASS at CERN, where charged hadrons with high transverse momentum are observed.
An aspect that makes the COMPASS experiment quite challenging for the theoretical calculation in perturbative QCD is its fixed-target regime.
The hadron's transverse momentum is relatively large compared to the available center-of-mass energy. Thus the partonic process is close to the threshold, where all available partonic center-of-mass energy is just used to produce the high-transverse momentum parton that subsequently hadronizes into the observed hadron, and its recoiling counterpart. Additional real gluon radiation is strongly suppressed and therefore mostly constrained to the emission of soft and/or collinear gluons. This results in a strong imbalance between real and virtual gluon diagrams and the cancellation of infrared singularities leaves behind large logarithmic corrections to the leading order cross section. These logarithms are not only present in the next-to-leading (NLO) corrections, but appear also in all higher order corrections in its perturbation expansion. They dominate the cross section in the kinematic region close to the threshold and thus have to be taken into account order-by-order. A technique that addresses these logarithms is known as threshold resummation.

The main goal of this work is to investigate the relevance of higher-order QCD corrections of the unpolarized photoproduction reaction in fixed-target scattering at COMPASS, where the hadron is produced at large transverse momentum. In particular the large logarithmic threshold corrections to the partonic cross sections are addressed, which are resummed to all orders at next-to-leading logarithmic (NLL) accuracy. As new technical ingredient to resummation, the rapidity dependence of the cross section in the resummed calculation is fully included in order to account for all relevant experimental kinematic cuts.
In the comparison of the resummed cross section to the experimental data of the COMPASS experiment it turns out that the threshold contributions are large and improve the agreement between data and theoretical prediction significantly.

Translation of the abstract (German)

Eines der Experimente, die dazu verwendet werden können um die Gluonverteilung des Nukleons zu untersuchen, ist das Experiment COMPASS am CERN, an dem Leptonen an einem sogenannten ''Fixed-Target'' gestreut werden und geladene Hadronen mit hohem Transversalimpuls beobachtet werden. Das Fixed-Target-Regime des COMPASS-Experiments macht dieses für theoretische Berechnungen in perturbativer QCD besonders anspruchsvoll. Der Transversalimpuls des Hadrons ist relativ groß im Vergleich zur verfügbaren Schwerpunktsenergie. Daher ist der partonische Prozess nahe am sogenannten ''Threshold'', an dem die gesamte verfügbare partonische Schwerpunktsenergie dafür benötigt wird um das Parton mit hohem Transversalimpuls, welches hinterher in das beobachtete Hadron hadronisiert, und dessen abprallendes Gegenstück zu produzieren. Zusätzliche reelle Gluonabstrahlung ist stark unterdrückt und daher hauptsächlich auf die Emission von weichen und/oder kollinearen Gluonen beschränkt. Dies führt zu einem großen Ungleichgewicht zwischen den reellen und virtuellen Gluondiagrammen und die Aufhebung der Infrarotsingularitäten hinterlässt große logarithmische Korrekturen in führender Ordnung des Wirkungsquerschnittes. Diese Logarithmen treten nicht nur in den nächst-führenden Korrekturen (NLO) auf, sondern erscheinen auch in allen höheren Ordungskorrekturen in der Störungsentwicklung. Sie dominieren den Wirkungsquerschnitt in dem kinematischen Gebiet nahe des Thresholds und müssen somit Ordnung für Ordnung in Betracht gezogen werden. Eine Technik, die diese Logarithmen miteinbezieht, ist die sogenannte ''Threshold-Resummation''.

Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Relevanz von höheren QCD-Ordnungskorrekturen der unpolarisierten Photoproduktionsreaktion in dem Fixed-Target-Streuexperiment COMPASS zu untersuchen, bei dem das Hadron bei hohem Transversalimpuls produziert wird. Insbesondere werden die großen, logarithmischen Threshold-Korrekturen zu den partonischen Wirkungsquerschnitten miteinbezogen, die zu allen Ordnungen in nächst-führender logarithmischer (NLL) Genauigkeit resummiert werden. Als neue technische Komponente zur Resummation wird die Rapiditätsabhängigkeit des Wirkungsquerschnittes in die Resummationsrechnungen voll miteinbezogen um allen relevanten experimentellen kinematischen Beschränkungen gerecht werden zu können. Im Vergleich des resummierten Wirkungsquerschnittes zu den experimentellen Daten des COMPASS-Experiments zeigt sich, dass die Threshold-Beiträge groß sind und die Übereinstimmung der Daten mit der theoretischen Vorhersage signifikant verbessern.

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