次领头扭度下核子自旋结构的理论研究

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高能散射过程中出现的与自旋相关的不对称度效应是探索核子内部自旋结构和味道依赖结构的非常有力的工具。通过对这些自旋不对称度效应的研究可以帮助我们理解强子中夸克自旋-轨道关联的更多信息,因而理解和探索产生这些自旋不对称度效应的来源是量子色动力学自旋物理的一个重要目标。领头扭度下的自旋不对称度效应已经被大量的实验观测到,但是它们并不能穷尽所有的自旋极化效应。在动量转移不是太大的区域,次领头扭度的效应也相当可观。因此,对高能散射过程出现的次领头扭度下的自旋不对称度效应的来源进行探索,不仅是更加深入研究核子内部自旋结构的一个重要途径,同时也是本论文的主要研究目的。本论文将基于横动量依赖因子化框架,着眼于所有扭度为3的分布函数的贡献,利用半单举深度非弹性散射(SIDIS)不同强子过程产生来研究次领头扭度下各种自旋相关的不对称度效应。  对于SIDIS过程,在次领头扭度,根据束流和靶的极化方式不同,理论上将产生七种不同角分布的的自旋不对称度效应,即:束流极化单自旋不对称度Asinφh LU、靶纵向极化单自旋不对称度Asinφh UL、靶横向极化单自旋不对称度AsinφS UT和Asin(2φh-φS)UT、靶纵向极化双自旋不对称度AcosφhLL、靶横向极化双自旋不对称度AcosφS LT和Acos(2φh-φS)LT。除靶纵向极化单自旋不对称度AsinφhUL已有相关研究外,本论文将对上述剩余六种自旋不对称度效应给出完整的讨论。在横动量因子化方案下,唯象学研究认为,在部分子图景,领头扭度下的自旋不对称度效应可以由领头扭度(扭度为2)的横动量依赖的分布函数和碎裂函数耦合产生,而次领头扭度下的不对称度效应可以由各种扭度为3的横动量依赖的分布函数/碎裂函数耦合相应扭度为2的横动量依赖的碎裂函数/分布函数产生。这些横动量依赖的分布函数是不可微扰计算的不依赖于具体过程的普适物理量,目前主要通过模型或直接参数化进行计算,本论文中我们将采用理论场框架下的夸克-旁观双夸克模型来计算。  本论文所讨论的六种角分布形式的次领头扭度自旋不对称度效应共涉及十二种扭度为3的横动量依赖的分布函数,其中有六种为时间反演不变的,六种是时间反演为奇的。利用模型计算所得的扭度为3的横动量依赖的分布函数的结果,结合HERMES、Jefferson Lab和COMPASS实验组的具体运动学变量区域,可以估算出它们所贡献的对应角分布形式的次领头扭度自旋不对称度。通过与已有实验测量数据进行对比,就可以检验我们这套理论计算的可靠性。同时,通过提取这些自旋不对称度,我们就可以获取蕴含在这些部分子分布函数之中的核子自旋结构的信息,从而考察夸克内禀横动量在高能散射过程中的角色。此外,我们对未来实验的预言结果可以为实验研究提供理论参考,未来实验的测量结果将会检验我们理论预言的有效性。这些理论和实验研究结果都将在自旋不对称度的来源方面给予启示,以加深我们对核子内部三维结构的理解。本论文的主要研究内容包括以下几个方面:  1)束流极化单自旋不对称度AsinφhLU:第一,考虑时间反演为奇的扭度为3的横动量依赖分布函数g⊥(x,k2T)的贡献,并结合CLAS5.776GeV和HERMES实验运动学变量区域,对π0产生过程的束流纵向极化单自旋不对称度进行了精确计算,还对CLAS12GeV时的情况进行了预言。第二,对同时考虑扭度为3的横动量依赖分布函数e(x,k2T)和g⊥(x,k2T)的贡献,结合HERMES和CLAS12GeV上的运动学条件,对带电π介子产生过程的Asinφh LU进行了研究,同时给出了采用了两种旁观双夸克模型得到两套横动量依赖的分布函数贡献的结果,第三,我们也给出了采用两套分布函数分别在质子靶、氘核靶上带所有电强子产生过程的束流纵向极化单自旋不对称度的结果。与已有实验测量结果进行对比发现,理论计算结果与实验测量数据在误差范围内符合得非常好,说明我们的理论计算方法十分有效,模型结果非常可靠。  2)靶横向极化单自旋不对称度AsinφSUT和Asin(2φh-φS)UT:同时考虑扭度为3的横动量依赖的分布函数fT(x,k2T)、hT(x,k2T)和h⊥T(x,k2T)对sinφS角分布形式的贡献,以及分布函数f⊥T(x,k2T)、hT(x,k2T)和h⊥T(x,k2T)对sin(2φh-φS)角分布形式的贡献,结合HERMES、JLab5.5GeV和11GeV、COMPASS实验运动学区域,分别对π+、π-和π0三种不同π介子产生过程的两种靶横向极化单自旋不对称度进行了预言,为未来实验测量提供理论参考依据。我们的理论预言结果显示,这些次领头扭度横向极化单自旋不对称度效应相当可观,而且时间反演为奇的横动量依赖的分布函数在这些自旋不对称度效应中扮演着非常重要的角色。  3)靶纵向极化双自旋不对称度AcosφhLL:同时考虑了扭度为3的横动量依赖的分布函数eL(x,k2T)和g⊥L(x,k2T)的贡献,并采用了两种旁观双夸克模型得到两套横动量依赖的分布函数的结果,分别预言了CLAS5.5GeV时采用质子靶和12GeV时采用He3靶、以及在HERMES上采用质子靶产生三种π介子过程的靶纵向极化双自旋不对称度的结果。此外,还给出了在COMPASS运动学条件下采用氘核靶产生h+、h-过程的靶纵向极化双自旋不对称度结果,并与实验数据进行了对比。我们发现采用不同束流能量和不同散射靶将会对自旋不对称度的结果产生影响。  4)靶横向极化双自旋不对称度AcosφSLT和Acos(2φh-φS)LT:类似于靶横向极化单自旋不对称度,我们同时考虑扭度为3的横动量依赖的分布函数gT(x,k2T)、eT(x,k2T)和e⊥T(x,k2T)对cosφS角分布形式的贡献,以及分布函数g⊥T(x,k2T)、eT(x,k2T)和e⊥T(x,k2T)对cos(2φh-φS)角分布形式的贡献,结合HERMES、JLab5.5GeV和COMPASS实验运动学区域,给出了三种不同π介子产生过程的两种靶横向极化双自旋不对称度的预言结果,以丰富和完善我们的理论研究内容,并为未来实验测量提供相关的理论参考依据。预言结果显示,靶横向极化双自旋不对称度在HERMES和JLab上可观,而在COMPASS运动学范围几乎不可观。
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