电子-重离子对撞机上类实光子结构的研究

摘要

在标准模型中，光子作为一种基本粒子，可以与夸克和轻子发生相互作用。光子是一种规范玻色子，量子电动力学(Quantum Electrodynamics，QED)确立后，光子被确认是传递电磁相互作用的媒介粒子，且静止质量为零。在量子色动力学(Quantum Chromodynamics，QCD)的框架下，量子本身由于涨落可以产生出结构。由于海森堡测不准原理，△E△t＞1，高能光子在一个极短的时间(△t)内会有能量涨落，在这个涨落过程中，光子可以劈裂成一对携带与光子的量子数相同的带电费米子-反费米子。所谓光子结构的测量，在量子色动力学中是指观测光子场的量子涨落，这种能量涨落用光子的结构方程来描述。因此，光子就自然而然地成为了一个研究粒子物理的重要对象。
　　在量子色动力学的理论下，光子可以看成是一种无结构的点粒子态(bare photonstate)与另一种具有结构的类似于强子的态(hadronic photon state)的叠加。这种类似于强子态的光子(resolved photon)可以看作成由夸克和胶子组成的。那么，其他粒子与此类光子的相互作用过程就可以看成是其他粒子与光子中的夸克和胶子的一系列基本碰撞过程的非相干叠加。在实验的基础上，我们可以拟合出能普适性地应用于不同碰撞过程的光子的部分子分布函数(Parton Distribution Function，PDF)，以描述夸克和胶子在光子中的密度分布。
　　在美国布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory, BNL)筹建的eRHIC是未来的电子-重离子对撞机(Electron Ion Collider，EIC)之一，它将提供质心系能量高达140 GeV的极化电子束与质子束或者重离子束的碰撞，瞬时亮度可达到1033-1034 cm-2s-1。在这篇论文中，我们通过蒙特卡罗模拟的方法，首次对EIC上的喷注的性质进行了研究。此外，我们还利用双喷注的方法计算了EIC上除硬碰撞过程以外的背景过程产生的效应，讨论了在EIC上区分从夸克、胶子碎裂成的喷注的可能性。随后，通过在光致作用中重建双喷注，我们在实验上可以找寻出光子表现为具有结构的子过程(resolved process)，在重建出的0.01＜xrecγ＜1的范围内，高精度测量双喷注的散射截面，来获取非极化情况下的光子的部分子分布函数的信息。此后，我们首次提出了实验上区分光子中不同味的夸克组分的方法，以此获得不同味的夸克分别对整个部分子分布函数的贡献。在极化情况下，极化光子的部分子分布函数则由双喷注散射截面的不对称性(ALL)获得。

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摘要

Abstract

TABLE OF CONTENTS

LIST OF FIGURES

LIST OF TABLES

CHAPTER 1 Introduction

CHAPTER 2 Theoretical framework

2．1．1 Parton model

2．1．2 The running coupling constant

2．1．3 Asymptotic freedom and confinement

2．2 DIS in QCD framework

2．2．1 Basic kinematics in DIS

2．2．2 Parton distributions

2．2．3 DGLAP evolution equations

2．2．4 Initial and final state radiation

2．2．5 Beam remnants and multiple interactions

2．2．6 Hadronization

2．3 Jet

2．3．1 Jet evolution

2．3．2 Jet algorithms

2．4 Parton Distribution Function in the photon

CHAPTER 3 Possible realizations of an EIC

3．1 The eRHIC design concept

3．1．1 An eRHIC model detector

3．1．2 Low-Q2 tagger

3．2 The designing requirements for a future EIC

CHAPTER 4 Monte Carlo simulation method

4．1 The Monte Carlo event generator for e+P

CHAPTER 5 Experimentai aspect of jet physics at EIC

5．1 Jet finding and jet properties

5 ．1．1 Input and reference frames

5．1．2 Jet deftnitions

5．1．3 Jet kinematics

5．2 Detector requirements

5．3 Underlying event

5．4 Quark jet and gluon jet

5．5 Summary

CHAPTER 6 Photon structure at EIC

6．1 Monte Carlo set up

6．2 Validation with HERA data

6．3 Unpolarized photon structure at EIC

6．3．2 Unpolarized di-jet cross section

6．3．3 Flavor tagging

6．4 Polarized photon structure at EIC

6．4．1 Polarized di-jet cross section at EIC

6．4．2 Asymmetry

6．4．3 Advantages compared with HERA

6．5 Summary

CHAPTER 7 Summary and outlook

References

LIST OF PRESENTATIONS AND PUBLICATIONS

致谢