相对论性氘核波函数如何塑造核结构函数与EMC效应?

相对论性氘核波函数能描述非极化和纵向极化结构函数,但低估了张量极化结构函数b1。

直接答案

作者使用由现实核子-核子相互作用构建的相对论性氘核光前波函数,将氘核纵向动量分布与NNPDF核子部分子分布进行卷积。由此得到的非极化和纵向极化结构函数能很好地描述实验数据,但预测的张量极化结构函数b1显著低于HERMES测量值,而EMC比值F2D/(F2p+F2n)再现了BONuS的定性行为,但在压低区位置上存在差异。

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相对论波函数取代S-D波图像

氘核是质子和中子构成的spin-1束缚态,其低能性质通常用非相对论S波和D波分量描述。这种描述对整体性质有效,但高能散射探测的是短距离组态以及波函数的高动量部分,相对论效应在这些区域变得显著。本文改用光前框架下由现实核子-核子相互作用导出的相对论性氘核光前波函数。

在这一表述中,氘核光前波函数由六个不变标量函数f1至f6表示,而非非相对论的S波和D波分量。底层相互作用是包含赝标量(π、η)、标量(σ、δ)和矢量(ρ、ω)道的单玻色子交换核,是完整Bonn相互作用的重参数化。同一套光前波函数此前已能描述Q2约达3 GeV2范围内的氘核电磁形状因子。

论文图1显示,在低于约0.5 GeV的低动量q处,波函数由f1和f2主导,而当q高于约0.5 GeV时f5的幅度变得相当。在q远小于核子质量的非相对论极限下,f3至f6可忽略,f1和f2退化为常规的S波和D波分量。相对论处理正是在这个意义上扩展而非抛弃了熟悉的图像。

三种纵向动量分布对应三种极化

论文计算了氘核的纵向动量分布(LMD),它描述在氘核内找到一个携带纵向动量分数z的组分的概率。这些分布由光前关联子提取,在光锥规范A+ = 0下规范链约化为1。

论文参数化了三种不同的LMD。非极化LMD f1(z)描述在非极化氘核内找到一个携带动量分数z的非极化组分的概率。纵向极化LMD g1L(z)刻画纵向极化氘核内的纵向极化组分。张量极化LMD f1LL(z)描述张量极化氘核内的非极化组分。

这些量不可互换。它们来自关联子不同的狄拉克结构,并由不同的螺旋度相关数密度组合构成。非极化和纵向极化LMD与AV18势模型氘核波函数进行了比较,而张量极化LMD f1LL(z)单独给出,并在所展示的z范围内取负值。

与NNPDF卷积连接LMD与结构函数

氘核结构函数在标准卷积形式下计算。氘核部分子分布被因子化为氘核LMD与核子内夸克分布的卷积,结构函数随后写为x乘以对夸克味求和(电荷平方乘以该氘核部分子分布)。

作为输入的核子部分子分布函数来自基于神经网络的NNPDF合作组。论文指出,计算得到的非极化和纵向极化结构函数能很好地描述实验数据。

这是模型计算,而非新的测量。与数据的一致说明的是这些特定LMD与NNPDF核子PDF的卷积在多大程度上再现了已有测量,并继承了NNPDF输入所带有的约束和不确定性。

张量结构函数b1仍然偏小

最引人注目的结果涉及张量极化结构函数b1。如果氘核只是质子和中子的S波束缚态,b1将为零。即便在标准卷积模型中纳入常规D波混合,理论计算给出的b1仍与HERMES合作组报告的测量值显著不同。

在本工作中,预测的张量极化结构函数b1仍显著小于HERMES测量值。作者将其解释为暗示标准卷积形式可能不足以完全解释数据。他们还指出,现有的HERMES张量极化结构函数数据存在较大不确定性。

论文讨论了文献中提出的一种可能解释:氘核波函数中六夸克组分产生的隐色组态,可能对测得的张量结构函数b1有显著贡献。作者并未声称已证明这一点,而是将其作为新强子机制和更精确测量的动机提出。

EMC比值仅定性再现BONuS

论文还通过结构函数比值F2D/(F2p+F2n)研究弱束缚氘核中的EMC效应。该比值因核束缚和费米运动效应而偏离1。氘核结合能弱、结构简单,仅表现出比重核极小的核修正,这使其成为分离真实介质效应的有用参照。

自由质子结构函数使用NNPDF数据集计算,中子贡献则在电荷与同位旋对称假设下构建。该分析再现了BONuS数据中观察到的定性行为,但在EMC压低区的位置上仍存在明显差异。

这一区分对如何解读结果很重要。再现比值的定性形状是比再现压低位置更弱的陈述。论文明确指出,压低区的位置正是分歧持续存在之处。

双核子图像无法同时拟合全部数据

作者指出,在当前双核子图像下,理论计算无法同时描述所有实验数据。剩余的分歧可能指向超出常规强子描述的动力学,并可能对氘核底层QCD结构具有敏感性。

当前框架仍缺少若干效应。论文指出,通过将高扭度效应以及非核子自由度纳入现有模型,有可能减小分歧。作者描述的一个自然扩展是纳入超出氘核双核子图像的高Fock态组分,例如π介子贡献。

这些是作为可能性和扩展提出的,而非已证明的结果。论文并未表明加入这些效应就能解决分歧,而是将其确定为可能减小分歧的方向。

这些预测的适用范围与边界

这些预测特定于本文所描述的氘核,即由弱束缚近似下的单玻色子交换核构建、并与NNPDF核子部分子分布卷积的相对论性光前波函数。非极化和纵向极化结构函数是在这一设定下能很好描述数据的量。

张量极化结构函数b1则不是。由于HERMES测量本身带有较大不确定性,预测与测量之间的差距应在这一前提下解读,论文将更精确的测量视为澄清这一状况的途径。

EMC比值结果同样有边界:定性行为与BONuS一致,但压低区位置不一致。该框架还省略了高扭度效应和非核子自由度,作者将其确定为剩余分歧的可能来源。

张量道是决定性的检验

论文自身的比较将其结果分为两组。非极化和纵向极化结构函数与现有数据一致,而张量极化结构函数b1则不一致。这一分组,而非整体一致性,是本研究最具信息量的结果。

实际后果是优先次序。如果相对论性氘核波函数与核子PDF的标准卷积已经描述了非极化和纵向极化道,那么张量道就是双核子图像最明显受到压力之处。作者将其与计划中的测量联系起来:Jefferson Lab对张量极化spin-1氘核的改进研究、Fermilab质子-氘核Drell-Yan过程提供的补充信息,以及NICA和未来电子-离子对撞机设施的极化氘核束。

对于决定从这篇论文中获取什么的读者而言,张量极化结构函数b1是值得关注的量。它是模型与现有HERMES数据分歧最大之处,是数据不确定性最大之处,也是论文预期下一轮测量最具决定性之处。

本文引用的文献

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Nuclear structure functions and EMC effect in a relativistic deuteron

与NNPDF核子PDF卷积的相对论性氘核光前波函数能很好地描述非极化和纵向极化结构函数,但预测的张量极化结构函数b1显著小于HERMES测量值,且仅定性再现BONuS的EMC比值,在压低区存在差异。