Наука и образование

Дифракционное фоторождение струй на электрон-ионном коллайдере

Сильное взаимодействие элементарных частиц и атомных ядер – одна из четырех фундаментальных сил в природе. Микроскопической теорией сильного взаимодействия является Квантовая Хромодинамика (КХД), в которой кванты материи кварки удерживаются вместе за счет обмена глюонами. Прецизионное определение распределений кварков и глюонов (коллективно называемых партонами) в протонах и ядрах является одним из открытых вопросов и активной областью исследований современной ядерной физики при высоких энергиях. Именно выяснению этого вопроса посвящена физическая программа будущего электрон-ионного коллайдера (Electron-Ion Collider, EIC), строительство которого на базе релятивистского коллайдера тяжелых ионов (Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC) было недавно одобрено [1].

Одним из важных процессов, позволяющих ответить на этот вопрос, является дифракционное фоторождение двух струй с большими поперечными импульсами (рис. 1). В данной реакции налетающий электрон служит источником квази-реальных фотонов, которые взаимодействуют с мишенью (протоном или ядром) либо напрямую (так называемый прямой вклад, direct photon), либо посредством своей кварк-глюонной структуры (разрешенный вклад, resolved photon) и при этом мишень рассеивается упруго или же переходит в состояние с небольшой массой. Ключевой характеристикой этого процесса является отсутствие адронной активности в области быстрот в направлении протона (ядра) в конечном состоянии (rapidity gap), что указывает на дифракционный характер рассеяния.

В рамках подхода коллинеарной факторизации теории возмущений КХД сечение этой реакции выражается в терминах дифракционных партонных распределений мишени, партонных распределений в фотоне (разрешенный вклад), потока фотонов от протона и элементарного сечения рождения двух струй (партонов) при рассеянии партонов и фотона (прямой вклад). В то время как этот процесс был измерен на электрон (позитрон)-протонном коллайдере HERA в Германии, остался открытым вопрос о нарушении факторизации, связанный с тем, что вычисления в следующем (NLO) порядке теории возмущений КХД примерно в 2 раза превышают измерения. Cогласия с данными можно добиться, предположив либо глобальный фактор подавления 0.5, либо введя фактор подавления 0.34 для разрешенного вклада [2]. Также была предложена схема нарушения факторизации, интерполирующая между этими двумя сценариями [3]. В мае 2020 года в журнале Journal of High Energy Physics вышла статья, соавтором которой выступает старший научный сотрудник Лаборатории релятивистской ядерной физики (ЛРЯФ) Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, кандидат физ.-мат. наук В.А. Гузей. В статье [4] было вычислено сечение фоторождения двух струй в кинематике электрон-ионного коллайдера в подходе NLO пертурбативной КХД и показано, что измерение этого процесса обеспечит прецизионное определение дифракционных партонных распределений в протоне, которое дополнит, а в определенной кинематической области улучшит, результаты HERA, а также прольет свет на проблему механизма нарушения факторизации. Пример полученных предсказаний показан на рис. 2, представляющем сечение процесса e+p ->e’+2 jets+X+Yкак функцию партонной доли импульса в фотоне. Чувствительность к нарушению факторизации иллюстрируется тремя кривыми, отвечающим разным схемам этого нарушения [2,3].

В опубликованной работе было также показано, что дифракционное фоторождение двух струй на ядерных мишенях позволит впервые измерить ядерные дифракционные партонные распределения, определить в них величину ядерной экранировки [4], а также использовать для получения дополнительной информации о механизме нарушения факторизации.

Отметим также, что основным направлением деятельности В.А. Гузея является теоретическая поддержка физических программ Большого адронного коллайдера (БАК) по тематике ультра-периферических столкновений ионов и будущего электрон-ионного коллайдера, где он является представителем НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ в Группе пользователей (EIC User Group). Областью научных интересов ученого является феноменология КХД при высоких энергиях, включая ядерные эффекты в жестком лептон-ядерном, фотон-ядерном и протон-ядерном рассеянии, партоные распределения и явление ядерной экранировки при малых х.

[1] A. Accardietal., Eur. Phys. J A 52 (2016), 9, 268.

[2] A.B. Kaidalov, V.A. Khoze, A.D. Martin, M.G. Ryskin, Eur. Phys. J C 66 (2010) 373.

[3] V. Guzey, M. Klasen, Eur. Phys. J C 76 (2016) 8, 467.

[4] L. Frankfurt, V. Guzey, M. Strikman, Phys. Rept. 512 (2012) 255.