Statistical properties of partonic configurations and diffractive dissociation in high-energy electron-nucleus scattering - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2021

Statistical properties of partonic configurations and diffractive dissociation in high-energy electron-nucleus scattering

Propriétés statistiques des configurations partoniques et dissociation diffractive dans la diffusion électron-noyau à haute énergie

Résumé

In the high-energy scattering of a quark-antiquark color dipole off a hadron, the quantum states of the former are represented by a stochastic set of dipoles generated by a binary branching process, in the so-called color dipole model of quantum chromodynamics (QCD). It was found that there is a profound connection between this QCD description and the branching-diffusion processes studied in statistical physics from which different properties of the scattering in the high-energy regime are revealed. Our work in this thesis is aimed to exploit the cross-fertilization between QCD and statistical physics to study the detailed partonic content of the Fock states of a color dipole subject to high-energy evolution in the scattering off a large nucleus. We also produce predictions for diffractive dissociation in electron-ion collisions, based on the QCD dipole picture.In the first place, the scattering events of a color dipole, when parameters are set in such a way that the total cross section is small, are triggered by configurations containing large-transverse-size dipoles. The latter are due to rare partonic fluctuations, which look different as seen from different reference frames, from the rest frame of the nucleus to frames in which the rapidity is shared between the projectile dipole and the target nucleus. It turns out that the freedom to select a frame allows to deduce an asymptotic analytic expression for the rapidity distribution of the first branching of the slowest parent dipole of the set of those which scatter, which provides an estimator for the correlations of the latter. In another aspect, the study implies the importance of the characterization of particle distribution near the extremal particles, referred to as the ``tip", in the states generated by the QCD dipole branching, and more generally, by any one-dimensional branching random walk model. To this aim, we develop a Monte Carlo algorithm to generate the tip of a binary branching random walk on a real line evolving to a predefined time, which allows to study both rare and typical configurations.The above statistical description proves advantageous for calculating diffractive cross section demanding a minimal rapidity gap Y0 and the distribution of rapidity gaps Ygap in the diffractive dissociation of a small dipole off a large nucleus, in a well-defined parametric region. They are the asymptotic solutions to the Kovchegov-Levin equation, which was established more than 20 years ago to describe the diffractive dipole dissociation at high energy. Additionally, we present predictions for the distribution of rapidity gaps in realistic kinematics of future electron-ion machines, based on the numerical solutions to the original Kovchegov-Levin equation and of its next-to-leading extension taking into account the running of the strong coupling. The outcomes for the former reflect in a qualitative way our asymptotic analytical result already at rapidities accessible at future electron-ion colliders.
Dans la diffusion hadronique à haute énergie d'un dipôle de couleur, formé d'une paire quark-antiquark, ses états quantiques sont représentés par un ensemble aléatoire de dipôles générés par un processus de branchement binaire, dans le cadre du modèle des dipôles de couleur de la chromodynamique quantique (QCD). On sait qu'il existe un lien profond entre cette description de QCD et les processus de branchement diffusif étudiés en physique statistique qui permet de mieux comprendre différentes propriétés de la diffusion dans le régime des hautes énergies. Dans cette thèse, on exploite ce lien entre physique des particules et physique statistique pour étudier le contenu partonique détaillé des états de Fock d'un dipôle dans la diffusion à haute énergie sur un ion lourd. On présente également des prédictions pour les sections efficaces de dissociation diffractive dans les collisions électron-ion, basées sur l'image de dipôle de QCD.En premier lieu, les événements de diffusion nucléaire d'un dipôle de couleur, lorsque les paramètres sont définis de sorte que la section efficace totale soit petite, sont induits par des configurations contenant des dipôles de grande taille transverse. Ces dernières sont dues à de rares fluctuations partoniques, distribuées différemment selon le référentiel choisi, du référentiel de repos du noyau aux référentiels dans lesquels la rapidité est partagée entre le dipôle projectile et le noyau cible. Il s'avère que la liberté de sélectionner un référentiel permet de déduire une expression analytique asymptotique de la distribution de la rapidité du premier branchement du dipôle parent le plus lent de l'ensemble des dipôles qui interagissent, ce qui fournit un estimateur des corrélations de ces derniers. Dans un autre aspect, notre étude montre l'importance de la caractérisation de la distribution des particules au voisinage des particules extrémales dans les états générés par le processus de branchement de dipôles en QCD, et plus généralement, par tout modèle de marche aléatoire branchante unidimensionnelle. Dans ce but, on développe un algorithme de Monte Carlo pour générer la région frontalière d'une marche aléatoire unidimensionnelle avec branchements binaires qui permet d'étudier à la fois des configurations rares et typiques.La description statistique ci-dessus rend possible le calcul de la section efficace diffractive conditionnée à un "gap" de rapidité minimal Y0 et la distribution des "gaps" de rapidité Ygap dans la dissociation diffractive d'un petit dipôle sur un grand noyau, dans une région paramétrique bien définie. Nous obtenons ainsi les solutions asymptotiques de l'équation de Kovchegov-Levin, qui a été établie il y a plus de 20 ans pour décrire la dissociation diffractive nucléaire d'un dipôle à haute énergie. De plus, nous présentons des prédictions pour la distribution des "gaps" de rapidité dans la cinématique des futures machines de collisions électron-ion, sur la base des solutions numériques de l'équation originale de Kovchegov-Levin et de son extension à une constante de couplage fort courante. Les résultats pour la première reflètent de manière qualitative le résultat analytique asymptotique déjà à des rapidités accessibles aux futurs collisionneurs électron-ion.
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  • HAL Id : tel-03645300 , version 1

Citer

Anh Dung Le. Statistical properties of partonic configurations and diffractive dissociation in high-energy electron-nucleus scattering. High Energy Physics - Phenomenology [hep-ph]. Institut Polytechnique de Paris, 2021. English. ⟨NNT : 2021IPPAX096⟩. ⟨tel-03645300⟩
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