개념완성

파톤 모형 (Parton Model)

1. 심층 비탄성 산란과 핵자 구조

1960년대 후반 SLAC-MIT 실험에서 고에너지 전자를 양성자에 충돌시켰을 때, 양성자 내부에 점 모양의 산란 중심이 존재한다는 것이 밝혀졌다. 파인만(Feynman)은 이들을 파톤(parton)이라 명명하였다.

정의5.1심층 비탄성 산란 (DIS)

심층 비탄성 산란(Deep Inelastic Scattering, DIS)은 고에너지 렙톤이 핵자와 충돌하여 핵자가 파괴되는 과정이다:

ℓ(k)+N(P)→ℓ′(k′)+X\ell(k) + N(P) \to \ell'(k') + X

운동학 변수:

Q2=−q2=−(k−k′)2>0(가상 광자의 사시 질량 제곱)Q^2 = -q^2 = -(k - k')^2 > 0 \quad (\text{가상 광자의 사시 질량 제곱})ν=P⋅qMN=E−E′(실험실계에서의 에너지 전달)\nu = \frac{P \cdot q}{M_N} = E - E' \quad (\text{실험실계에서의 에너지 전달})x=Q22P⋅q=Q22MNν(비요르켄 변수,  0≤x≤1)x = \frac{Q^2}{2P \cdot q} = \frac{Q^2}{2M_N\nu} \quad (\text{비요르켄 변수},\; 0 \leq x \leq 1)y=P⋅qP⋅k=νE(비탄성도,  0≤y≤1)y = \frac{P \cdot q}{P \cdot k} = \frac{\nu}{E} \quad (\text{비탄성도},\; 0 \leq y \leq 1)

이 변수들은 Q2=sxyQ^2 = sxy의 관계를 만족한다 (s=(k+P)2s = (k+P)^2).

2. 구조 함수와 스케일링

DIS의 미분 단면적은 두 개의 구조 함수(structure function)로 기술된다.

정의5.2DIS 구조 함수

전자기 DIS의 이중 미분 단면적:

d2σdx dQ2=4πα2xQ4[(1−y+y22)F2(x,Q2)−y22 2xF1(x,Q2)]\frac{d^2\sigma}{dx\,dQ^2} = \frac{4\pi\alpha^2}{xQ^4}\left[\left(1 - y + \frac{y^2}{2}\right)F_2(x, Q^2) - \frac{y^2}{2}\,2xF_1(x, Q^2)\right]

또는 동등하게, 세로 방향 구조 함수 FL=F2−2xF1F_L = F_2 - 2xF_1을 도입하면:

d2σdx dQ2=4πα2xQ4[(1−y)F2+y22 2xF1]\frac{d^2\sigma}{dx\,dQ^2} = \frac{4\pi\alpha^2}{xQ^4}\left[\left(1 - y\right)F_2 + \frac{y^2}{2}\,2xF_1\right]

비요르켄 스케일링(Bjorken scaling): Q2→∞Q^2 \to \infty, ν→∞\nu \to \infty이면서 x=Q2/(2MNν)x = Q^2/(2M_N\nu)가 고정된 극한에서:

F1(x,Q2)→F1(x),F2(x,Q2)→F2(x)F_1(x, Q^2) \to F_1(x), \qquad F_2(x, Q^2) \to F_2(x)

구조 함수가 Q2Q^2에 무관해지는 이 현상은 양성자 내부에 점 모양의 구성 입자가 존재함을 시사한다.

3. 파톤 모형의 공식화

유도파톤 모형에서의 구조 함수

무한 운동량 틀(Infinite Momentum Frame, IMF)에서 핵자를 기술한다. 핵자의 운동량 PP가 매우 클 때, 내부 파톤의 횡방향 운동량과 질량을 무시할 수 있다. 맛 ff의 파톤이 핵자 운동량의 분율 ξ\xi를 가질 확률 밀도를 fi(ξ)f_i(\xi)라 하면:

전자-파톤 산란의 단면적 (파톤은 점 입자로 취급):

d2σ^dQ^2=2πα2Qi2s^2(1+(1−Q2s^)2)\frac{d^2\hat{\sigma}}{d\hat{Q}^2} = \frac{2\pi\alpha^2 Q_i^2}{\hat{s}^2}\left(1 + \left(1-\frac{Q^2}{\hat{s}}\right)^2\right)

핵자 단면적은 파톤 분포에 대한 중첩:

F2(x)=∑iQi2 x fi(x)F_2(x) = \sum_i Q_i^2\, x\, f_i(x)2xF1(x)=F2(x)(칼란-그로스 관계, Callan-Gross relation)2xF_1(x) = F_2(x) \qquad (\text{칼란-그로스 관계, Callan-Gross relation})

칼란-그로스 관계는 파톤이 스핀-1/21/2임을 반영한다. 스핀-0 파톤이면 F1=0F_1 = 0이 될 것이다.

양성자의 경우:

F2ep(x)=x[49(u(x)+uˉ(x))+19(d(x)+dˉ(x))+19(s(x)+sˉ(x))+⋯ ]F_2^{ep}(x) = x\left[\frac{4}{9}(u(x) + \bar{u}(x)) + \frac{1}{9}(d(x) + \bar{d}(x)) + \frac{1}{9}(s(x) + \bar{s}(x)) + \cdots\right]
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4. 파톤 분포 함수 (PDF)

정의5.3파톤 분포 함수

파톤 분포 함수(Parton Distribution Function, PDF) fi(x,Q2)f_i(x, Q^2)는 운동량 분율 xx와 분해능 스케일 Q2Q^2에서 핵자 내부의 맛 ii 파톤을 발견할 확률 밀도이다.

주요 합 규칙:

운동량 합 규칙:

∑i∫01x fi(x,Q2) dx=1\sum_i \int_0^1 x\, f_i(x, Q^2)\, dx = 1

파톤이 핵자의 전체 운동량을 운반한다. 실험적으로 쿼크와 반쿼크는 운동량의 ∼50%\sim 50\%만 운반하며, 나머지 ∼50%\sim 50\%는 글루온이 운반한다.

바리온 수 합 규칙:

∫01[u(x)−uˉ(x)] dx=2,∫01[d(x)−dˉ(x)] dx=1\int_0^1 [u(x) - \bar{u}(x)]\, dx = 2, \qquad \int_0^1 [d(x) - \bar{d}(x)]\, dx = 1

고트프리드 합 규칙:

∫01F2ep−F2enx dx=13+23∫01[uˉ(x)−dˉ(x)] dx\int_0^1 \frac{F_2^{ep} - F_2^{en}}{x}\, dx = \frac{1}{3} + \frac{2}{3}\int_0^1 [\bar{u}(x) - \bar{d}(x)]\, dx

NMC 실험에서 이 적분값이 1/31/3이 아님이 관측되어, uˉ≠dˉ\bar{u} \neq \bar{d} (바다 쿼크의 맛 비대칭)가 확인되었다.

5. QCD 보정과 DGLAP 발전 방정식

비요르켄 스케일링은 근사적으로만 성립하며, QCD 보정에 의해 구조 함수는 Q2Q^2에 대해 대수적으로 변한다.

유도DGLAP 발전 방정식

독터-그리보프-리파토프-알타렐리-파리시(DGLAP) 방정식은 파톤 분포의 Q2Q^2 의존성을 기술한다:

∂fi(x,Q2)∂ln⁡Q2=αs(Q2)2π∑j∫x1dξξ Pij ⁣(xξ)fj(ξ,Q2)\frac{\partial f_i(x, Q^2)}{\partial \ln Q^2} = \frac{\alpha_s(Q^2)}{2\pi} \sum_j \int_x^1 \frac{d\xi}{\xi}\, P_{ij}\!\left(\frac{x}{\xi}\right) f_j(\xi, Q^2)

여기서 Pij(z)P_{ij}(z)는 분기 함수(splitting function)로, 파톤 jj가 운동량 분율 zz를 가진 파톤 ii로 분기할 확률을 나타낸다.

선도 차수(Leading Order, LO) 분기 함수:

Pqq(z)=CF1+z2(1−z)++32CF δ(1−z)P_{qq}(z) = C_F \frac{1+z^2}{(1-z)_+} + \frac{3}{2}C_F\,\delta(1-z)Pgq(z)=CF1+(1−z)2zP_{gq}(z) = C_F \frac{1+(1-z)^2}{z}Pqg(z)=TR[z2+(1−z)2]P_{qg}(z) = T_R [z^2 + (1-z)^2]Pgg(z)=2CA[z(1−z)++1−zz+z(1−z)]+β02δ(1−z)P_{gg}(z) = 2C_A \left[\frac{z}{(1-z)_+} + \frac{1-z}{z} + z(1-z)\right] + \frac{\beta_0}{2}\delta(1-z)

CF=4/3C_F = 4/3, CA=3C_A = 3, TR=1/2T_R = 1/2.

DGLAP 방정식은 Q2Q^2가 증가하면 xx가 작은 쪽으로 파톤 분포가 진화함을 예측한다. 이는 HERA 충돌기의 측정에 의해 정밀하게 확인되었다.

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6. 하드론 충돌의 인수분해 정리

정의5.4인수분해 정리

QCD 인수분해 정리(factorization theorem)에 의하면, 하드론 충돌에서의 경질(hard) 과정의 단면적은 파톤 분포와 파톤 수준 단면적의 합성곱으로 분해된다:

σ(h1h2→X)=∑i,j∫dx1 dx2 fih1(x1,μF2) fjh2(x2,μF2) σ^ij(x1x2s,μF2,μR2)\sigma(h_1 h_2 \to X) = \sum_{i,j} \int dx_1\, dx_2\, f_i^{h_1}(x_1, \mu_F^2)\, f_j^{h_2}(x_2, \mu_F^2)\, \hat{\sigma}_{ij}(x_1 x_2 s, \mu_F^2, \mu_R^2)

여기서:

  • fih(x,μF2)f_i^{h}(x, \mu_F^2): 하드론 hh 내의 파톤 ii의 PDF (인수분해 스케일 μF\mu_F)
  • σ^ij\hat{\sigma}_{ij}: 파톤 수준의 경질 산란 단면적 (섭동론적으로 계산 가능)
  • μR\mu_R: 재규격화 스케일

이 정리는 장거리(비섭동론적) 효과를 PDF에 흡수하고, 단거리(섭동론적) 효과를 σ^\hat{\sigma}에서 계산할 수 있게 하는 QCD 계산의 근간이다.

예제LHC에서의 힉스 생성 단면적

LHC (pppp, s=13  TeV\sqrt{s} = 13\;\text{TeV})에서의 힉스 보존 생성의 지배적 채널은 글루온-글루온 융합(gluon-gluon fusion)이다:

σ(pp→H+X)=∫dx1 dx2 g(x1,μF2) g(x2,μF2) σ^(gg→H)\sigma(pp \to H + X) = \int dx_1\, dx_2\, g(x_1, \mu_F^2)\, g(x_2, \mu_F^2)\, \hat{\sigma}(gg \to H)

파톤 수준의 단면적 (톱 쿼크 루프를 통해):

σ^(gg→H)=αs2576πGF2s∣32τ[1+(1−τ)f(τ)]∣2\hat{\sigma}(gg \to H) = \frac{\alpha_s^2}{576\pi} \frac{G_F\sqrt{2}}{s} \left| \frac{3}{2}\tau[1 + (1-\tau)f(\tau)] \right|^2

여기서 τ=4mt2/s^\tau = 4m_t^2/\hat{s}, f(τ)f(\tau)는 루프 함수이다.

NNLO QCD + NLO EW 보정을 포함한 예측:

σ(pp→H)≈48.6  pb(s=13  TeV)\sigma(pp \to H) \approx 48.6\;\text{pb} \quad (\sqrt{s} = 13\;\text{TeV})

이론적 불확도는 스케일 변동(∼5%\sim 5\%)과 PDF 불확도(∼3%\sim 3\%)에 의해 지배된다.

참고PDF의 전역 적합

현대의 PDF는 NNPDF, CT, MSHT 등의 그룹에 의해 전 세계 실험 데이터의 전역 적합(global fit)을 통해 결정된다. 사용되는 데이터는:

  • HERA DIS 데이터 (e±pe^\pm p 산란)
  • 고정 표적 DIS 데이터
  • 드렐-얀(Drell-Yan) 과정 (pp,ppˉ→ℓ+ℓ−+Xpp, p\bar{p} \to \ell^+\ell^- + X)
  • 제트 생성 데이터
  • W/ZW/Z 보존 생성 데이터
  • LHC의 톱 쿼크 쌍생성 데이터

NNLO 정밀도의 PDF는 LHC 물리학의 핵심 입력이며, PDF 불확도는 많은 측정에서 지배적인 체계적 불확도 원천이다.