高能反应过程的碎裂函数及其自旋依赖

Fragmentation and structure function are the two important physical quantities in describing hadron production in high energy reactions. The study of them is not only necessary to provide a precise and reliable description of high energy reaction but also an important aspect in studying the property of strong interaction. With the progress of experiment and theory, the study now goes deep into the spin and the transverse momentum dependence and the processes considered are semi-inclusive instead of inclusive. The active frontiers include: constructing an appropriate theoretical framework based on collinear expansion, calculating the different asymmetries in different polarization cases in terms of different components of the fragmentation function including leading as well as higher twist contributions, and the studying of the form of these different components of the fragmentation function and so on. The aim of this project is to use e+e- annihilation as an example, to construct an appropriate theoretical framework for the semi-inclusive process, to study the asymmetries in different cases for hadron with different spins (0, 1/2 and 1), to calculate the leading and higher twist contributions; and carry out the phenomenological studies according the data available including the physical interpretations, the parameterizations and possible model calculations.

碎裂函数与核子结构函数是当前人们描述高能反应强子产生过程所必需的两个关键的物理量，对它们进行深入的研究不仅是人们对高能反应进行准确与可靠的描述的前提，而且也是研究强相互作用性质的重要方面。实验与理论的进展，使当前研究的前沿深入到对横动量以及自旋的依赖，所研究的反应过程也由单举深入到半单举。在共线展开技术下建立起适合于这些半单举过程的理论框架，计算不同情形下leading与higher twist的贡献、研究相应碎裂函数分量的形式等都成为目前研究的重要前沿课题。本项目的目标是以e+e-湮灭反应为例，将共线展开应用到半单举过程，建立相应的理论框架，研究不同极化情形下自旋取不同值（0、1/2、1）的强子产生的各种不对称性与相应碎裂函数分量的关系，计算相应的leading与higher twist贡献；并根据实验的情况，对这些碎裂函数分量开展唯像学研究，包括它们的物理意义、参数化形式与模型计算等。

碎裂函数不仅是描述高能强子产生所必需的重要物理量，而且包含着强相互作用性质与强子产生机制的重要信息，对它的研究有重要科学意义。本项目重点选取高能e+e-湮灭的半单举强子产生过程开展对碎裂函数的研究，具体研究内容包括了反应过程系统的运动学分析、领头与高扭度QCD部分子模型计算、碎裂函数唯象学研究、不同碎裂函数的性质以及它们之间的关系等。主要进展包括如下四个方面。. （i）项目首次将共线展开应用到高能e+e-湮灭过程，包括单举强子产生过程e^+ e^-→h+X和半单举强子产生过程e^+ e^-→h+q ̅(jet)+X，在微扰QCD领头阶近似下，对不同自旋（包括0、1/2和1）的强子的产生，首次将计算系统地进行到扭度4的层次，在QCD部分子模型框架下，给出了各可测物理量与QCD碎裂函数间的关系，为后续实验与理论研究打下良好的基础。. （ii）项目完成了夸克-夸克关联子系统的洛伦兹展开，给出包括矢量介子在内的不同扭度的碎裂函数，并利用QCD运动方程，系统地研究了由夸克-胶子-夸克定义的碎裂函数与夸克-夸克关联子定义的碎裂函数间的关联，得出一整套适用于包括张量极化依赖的碎裂函数的关系式。. （iii）项目完成了对半单举e^+ e^-→V+π+X过程的系统研究。首先进行了系统的运动学分析，给出了强子张量与“结构函数”的一般形式，找出不同情形下的对称性，给出微分截面、方位角不对称、强子极化等可观测量与结构函数的关系。之后，在QCD部分子模型框架下，给出至扭度3的系统的理论计算结果。. （iv）项目对e+e-→hX中强子极化进行了初步的唯象学研究，首次给出描述矢量介子spin alignment的碎裂函数D_1LL (z)的参数化，并求解QCD演化方程，给出演化的数值结果，对e+e-→hX中超子极化与矢量介子spin alignment的能量依赖做出预言。