Uogólnione funkcje rozkładu partonów z chromodynamiki kwantowej na sieci
Identyfikator grantu: PT00768
Kierownik projektu: Krzysztof Cichy
Realizatorzy:
- Mateusz Witkowski
- Aurora Scapellato
- Jack Dodson
- Joshua Miller
- Wojciech Chomicki
- Niilo Nurminen
- Joseph Torsiello
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza
Wydział Fizyki
Poznań
Data otwarcia: 2019-09-06
Streszczenie projektu
Projekt osadzony jest w ramach szerokiej kolaboracji fizyków zajmujących się chromodynamiką kwantową na sieci i wykorzystujących tzw. fermiony twisted mass, Extended Twisted Mass Collaboration (ETMC) i w ramach przyznanego przez Narodowe Centrum Nauki (NCN) 5-letniego grantu SONATA BIS nr 2016/22/E/ST2/00013 Struktura wewnętrzna nukleonów z chromodynamiki kwantowej na sieci z fermionami twisted mass.
Problem, którego próba rozwiązania zostanie podjęta w projekcie, dotyczy podstawowych własności fundamentalnych składników materii, protonów i neutronów (kolektywnie nazywanych nukleonami). Oddziaływania kwarków (zwane silnymi), cząstek elementarnych tworzących nukleony, poprzez wymianę gluonów, opisywane są przez chromodynamikę kwantową (QCD). Stała sprzężenia QCD jest zależna od energii oddziałującego układu lub, równoważnie, od odległości między cząstkami. Przy wysokich energiach (na małych odległościach), stała ta przyjmuje niewielką wartość i oddziaływania mogą być opisane za pomocą rachunku zaburzeń, podobnie jak w elektrodynamice kwantowej. Jednakże, przy niskich energiach (dużych odległościach), stała sprzężenia QCD staje się duża i metody perturbacyjne zawodzą. Choć możliwe jest fenomenologiczne modelowanie zjawisk zachodzących w tym reżimie QCD, jedyną znaną metodą umożliwiającą uzyskiwanie ilościowych przewidywań z pierwszych zasad jest sformułowanie QCD na sieci (Lattice QCD (LQCD)) i obliczenie odpowiednich całek po trajektoriach za pomocą symulacji numerycznych z wykorzystaniem metod Monte Carlo.
Głównym celem naukowym projektu jest lepsze zrozumienie wewnętrznej struktury nukleonów za pomocą takich właśnie numerycznych metod LQCD, z użyciem tzw. dyskretyzacji twisted mass fermionów. Podstawowymi obiektami wyrażającymi naszą wiedzę dotyczącą struktury hadronów są funkcje rozkładu partonów (parton distribution functions, PDFy) i uogólnione funkcje rozkładu (generalized parton distributions, GPD). Funkcje te otrzymywane są poprzez fitowanie danych eksperymentalnych, z wykorzystaniem pewnych założeń modelowych. Jednakże, niezwykle pożądane byłoby ich obliczenie z pierwszych zasad. Ze względu na wysoce nieperturbacyjną naturę PDFów, jest to możliwe w zasadzie jedynie z użyciem metod LQCD.
Problem obliczenia PDFów i GPD na sieci jest jednym z najważniejszych wyzwań LQCD. W serii prac w latach 2015-2019 [1] , badaliśmy zaproponowane przez X. Ji w 2013 roku [2] podejście quasirozkładów, z których w wyniku zastosowania procedury tzw. matchingu wyznaczyć można fizyczne PDFy. Pokazaliśmy, że podejście to rzeczywiście pozwala na uzyskanie PDFów, ale konieczne są dalsze badania umożliwiające oszacowanie i wyeliminowanie efektów systematycznych. W proponowanym projekcie, chcemy zbadać uogólnienie tej metody do wyznaczania GPD, opisujących trójwymiarową strukturę nukleonu, i eksploracja tego podejścia naszym głównym celem. W dłuższym okresie, pozwoli na lepsze zrozumienie wewnętrznej struktury nukleonów i m. in. na zmniejszenie niepewności teoretycznych związanych z analizą danych w eksperymentach akceleratorowych, np. w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC).
Problem, którego próba rozwiązania zostanie podjęta w projekcie, dotyczy podstawowych własności fundamentalnych składników materii, protonów i neutronów (kolektywnie nazywanych nukleonami). Oddziaływania kwarków (zwane silnymi), cząstek elementarnych tworzących nukleony, poprzez wymianę gluonów, opisywane są przez chromodynamikę kwantową (QCD). Stała sprzężenia QCD jest zależna od energii oddziałującego układu lub, równoważnie, od odległości między cząstkami. Przy wysokich energiach (na małych odległościach), stała ta przyjmuje niewielką wartość i oddziaływania mogą być opisane za pomocą rachunku zaburzeń, podobnie jak w elektrodynamice kwantowej. Jednakże, przy niskich energiach (dużych odległościach), stała sprzężenia QCD staje się duża i metody perturbacyjne zawodzą. Choć możliwe jest fenomenologiczne modelowanie zjawisk zachodzących w tym reżimie QCD, jedyną znaną metodą umożliwiającą uzyskiwanie ilościowych przewidywań z pierwszych zasad jest sformułowanie QCD na sieci (Lattice QCD (LQCD)) i obliczenie odpowiednich całek po trajektoriach za pomocą symulacji numerycznych z wykorzystaniem metod Monte Carlo.
Głównym celem naukowym projektu jest lepsze zrozumienie wewnętrznej struktury nukleonów za pomocą takich właśnie numerycznych metod LQCD, z użyciem tzw. dyskretyzacji twisted mass fermionów. Podstawowymi obiektami wyrażającymi naszą wiedzę dotyczącą struktury hadronów są funkcje rozkładu partonów (parton distribution functions, PDFy) i uogólnione funkcje rozkładu (generalized parton distributions, GPD). Funkcje te otrzymywane są poprzez fitowanie danych eksperymentalnych, z wykorzystaniem pewnych założeń modelowych. Jednakże, niezwykle pożądane byłoby ich obliczenie z pierwszych zasad. Ze względu na wysoce nieperturbacyjną naturę PDFów, jest to możliwe w zasadzie jedynie z użyciem metod LQCD.
Problem obliczenia PDFów i GPD na sieci jest jednym z najważniejszych wyzwań LQCD. W serii prac w latach 2015-2019 [1] , badaliśmy zaproponowane przez X. Ji w 2013 roku [2] podejście quasirozkładów, z których w wyniku zastosowania procedury tzw. matchingu wyznaczyć można fizyczne PDFy. Pokazaliśmy, że podejście to rzeczywiście pozwala na uzyskanie PDFów, ale konieczne są dalsze badania umożliwiające oszacowanie i wyeliminowanie efektów systematycznych. W proponowanym projekcie, chcemy zbadać uogólnienie tej metody do wyznaczania GPD, opisujących trójwymiarową strukturę nukleonu, i eksploracja tego podejścia naszym głównym celem. W dłuższym okresie, pozwoli na lepsze zrozumienie wewnętrznej struktury nukleonów i m. in. na zmniejszenie niepewności teoretycznych związanych z analizą danych w eksperymentach akceleratorowych, np. w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC).
Publikacje
- C. Alexandrou, K. Cichy, M. Constantinou, K. Hadjiyiannakou, K. Jansen, A. Scapellato, F. Steffens, Unpolarized and helicity generalized parton distributions of the proton within lattice QCD, Physical Review Letters 125, (2020) 262001
- S. Bhattacharya, K. Cichy, M. Constantinou, A. Metz, A. Scapellato, F. Steffens, Insights on proton structure from lattice QCD: The twist-3 parton distribution function gT(x), Physical Review D 102, (2020) 111501(R)
- M. Bhat, K. Cichy, M. Constantinou, A. Scapellato, Parton distribution functions from lattice QCD at physical quark masses via the pseudo-distribution approach, arxiv.org / wysłane do Physical Review D 2005.02102, (2020) 1-19
- M. Bhat, K. Cichy, M. Constantinou, A. Scapellato, Parton distribution functions from lattice QCD at physical quark masses via the pseudo-distribution approach, Physical Review D / American Physical Society 103, (2021) 034510
- S. Bhattacharya, K. Cichy, M. Constantinou, A. Metz, A. Scapellato, F. Steffens, Parton distribution functions beyond leading twist from lattice QCD: The hL(x) case, Physical Review D / American Physical Society 104, (2021) 114510
- C. Alexandrou, K. Cichy, M. Constantinou, K. Hadjiyiannakou, K. Jansen, A. Scapellato, F. Steffens, Transversity GPDs of the proton from lattice QCD, Physical Review D / American Physical Society -, (2021) -
- S. Bhattacharya, K. Cichy, M. Constantinou, A. Metz, A. Scapellato, F. Steffens, Twist-3 partonic distributions from lattice QCD, DIS2021 / Stony Brook University -, (2021) -
- S. Bhattacharya, K. Cichy, M. Constantinou, A. Metz, A. Scapellato, F. Steffens, First study of twist-3 PDFs for the proton from lattice QCD, LATTICE2021 / Massachussets Institute of Technology -, (2021) -
- C. Alexandrou, K. Cichy, M. Constantinou, K. Hadjiyiannakou, K. Jansen, A. Scapellato, F. Steffens, Generalized parton distributions of the proton from lattice QCD, LATTICE2021 / Massachussets Institute of Technology -, (2021) -
- S. Bhattacharya, K. Cichy, M. Constantinou, J. Dodson, A. Metz, A. Scapellato, F. Steffens, First Lattice QCD Study of Proton Twist-3 GPDs, LATTICE2021 / Massachussets Institute of Technology -, (2021) -
- C. Alexandrou, K. Cichy, M. Constantinou, K. Hadjiyiannakou, K. Jansen, A. Scapellato, F. Steffens, Transversity GPDs of the proton from lattice QCD, Physical Review D 105, (2022) 034501
- M. Bhat, W. Chomicki, K. Cichy, M. Constantinou, J. Green, Continuum limit of parton distribution functions from the pseudodistribution approach on the lattice, Physical Review D 106, (2022) 054504
- S. Bhattacharya, K. Cichy, M. Constantinou, J. Dodson, X. Gao, A. Metz, S. Mukherjee, A. Scapellato, F. Steffens, Y. Zhao, Generalized parton distributions from lattice QCD with asymmetric momentum transfer: Unpolarized quarks, Physical Review D 106, (2022) 114512
- M. Bhat, W. Chomicki, K. Cichy, M. Constantinou, J. Green, Continuum limit of parton distribution functions from the pseudo-distribution approach on the lattice, LATTICE 2022 -, (2022) -
- M. Constantinou, S. Bhattacharya, K. Cichy, J. Dodson, X. Gao, A. Metz, S. Mukherjee, A. Scapellato, F. Steffens, Y. Zhao, Accessing proton GPDs in asymmetric frames: Numerical implementation, LATTICE 2022 -, (2022) -
- J. Delmar, C. Alexandrou, K. Cichy, M. Constantinou, K. Hadjiyiannakou, Gluon PDF for the proton using the twisted mass formulation of lattice QCD, LATTICE 2022 -, (2022) -
- Shohini Bhattacharya, Krzysztof Cichy, Martha Constantinou, Xiang Gao, Andreas Metz, Joshua Miller, Swagato Mukherjee, Peter Petreczky, Fernanda Steffens, and Yong Zhao, Moments of proton GPDs from the OPE of nonlocal quark bilinears up to NNLO, Physical Review D 108, (2023) 014507
- Shohini Bhattacharya, Krzysztof Cichy, Martha Constantinou, Jack Dodson, Andreas Metz, Aurora Scapellato, and Fernanda Steffens, Chiral-even axial twist-3 GPDs of the proton from lattice QCD, Physical Review D 108, (2023) 054501
- Martha Constantinou, Shohini Bhattacharya, Krzysztof Cichy, Jack Dodson, Xiang Gao, Andreas Metz, Swagato Mukherjee, Aurora Scapellato, Fernanda Steffens, and Yong Zhao, Accessing proton GPDs in asymmetric frames: Numerical implementation, Proceedings of Science LATTICE2022 430, (2023) 096
- Shohini Bhattacharya, Krzysztof Cichy, Martha Constantinou, Jack Dodson, Xiang Gao, Andreas Metz, Joshua Miller, Swagato Mukherjee, Peter Petreczky, Fernanda Steffens, and Yong Zhao, GPDs in asymmetric frames, Proceedings of Science LATTICE2022 430, (2023) 095
- Shohini Bhattacharya, Krzysztof Cichy, Martha Constantinou, Jack Dodson, Xiang Gao, Andreas Metz, Joshua Miller, Swagato Mukherjee, Aurora Scapellato, Fernanda Steffens, and Yong Zhao, Generalized Parton Distributions from Lattice QCD, Acta Physica Polonica B Proceedings Supplement 16, (2023) 7-A6
- Shohini Bhattacharya, Krzysztof Cichy, Martha Constantinou, Jack Dodson, Xiang Gao, Andreas Metz, Joshua Miller, Swagato Mukherjee, Peter Petreczky, Fernanda Steffens, and Yong Zhao, Generalized Parton Distributions from Lattice QCD with Asymmetric Momentum Transfer: Axial-vector case, Physical Review D arXiv:2310.13114, (2023) 1-29