Transverse momentum dependent distributions for the Electron-Ion Collider era

Abstract

Un campo de investigación muy interesante para probar y comprender la cromodinámica cuántica es la exploración de la estructura multidimensional de los hadrones. El objetivo principal de este campo es reconstruir imágenes multidimensionales de un hadrón e investigar la distribución de partones, es decir, quarks y gluones, en su interior. De esta manera, se puede dar luz a ciertas cuestiones como el papel de los quarks y gluones en la generación de espín del nucleón o momento angular partónico. Un tipo muy interesante de observables que pueden dar información sobre la estructura del hadrón son los que tienen una dependencia no nula del momento transverso. Estos observables son muy interesantes para los colisionadores de hadrones y tienen un impacto muy relevante en, por ejemplo, el estudio de la producción del bosón de Higgs y la búsqueda de física más allá del modelo estándar. Un punto crucial para tratar este tipo de procesos es obtener teoremas de factorización bien definidos y resumar grandes contribuciones logarítmicas para realizar análisis fenomenológicos. En términos generales, una sección eficaz factorizada se escribe en términos de un factor hard que incluye toda la física de alta energía y dos objetos que incluyen información sobre la distribución de partones dentro de los hadrones en el proceso. Estos elementos se conocen como funciones de distribución de partones dependientes de momento transverso (TMDPDF por sus siglas en inglés). El cuerpo principal de esta tesis se divide en dos partes, estudiando los teoremas de factorización y la información hadrónica en dos contextos diferentes, pero con el mismo objetivo: mejorar la extracción de la información tridimensional de los hadrones. La primera parte de esta tesis está dedicada al estudio de TMDPDFs dependientes de espín que surgen de teoremas de factorización establecidos para procesos que involucran hadrones con una polarización particular. La definición de TMDPDF no polarizada ya conocida se amplía para obtener definiciones de TMDPDF dependientes de espín. Se dan resultados de la información perturbativa derivada en el límite de momento transverso grande de las TMDPDF (conocidos como coeficientes de matching) hasta el segundo orden en la teoría de perturbaciones. De esta manera, logramos el mismo nivel de precisión para las TMDPDF dependientes del espín que para sus contrapartes no polarizadas. Esta mejora del orden perturbativo conocido para las diferentes distribuciones de momento transversal dependientes del espín ayudará a disminuir los errores teóricos en las predicciones fenomenológicas que involucran hadrones polarizados y permitirá una extracción más limpia de la física no perturbativa asociada a las distribuciones dependientes del momento transverso. La segunda parte de esta tesis está dedicada a establecer teoremas de factorización incluyendo jets de partículas en estados finales de los procesos considerados. En principio, el uso de jets en el estado final disminuye la contaminación no perturbativa en comparación con el uso de hadrones en un estado final, porque las propiedades del jet se pueden calcular en gran medida en teoría de perturbaciones. Por lo tanto, los procesos con jets en el estado final deberían ofrecer una forma más limpia de acceder a la información sobre la estructura de los hadrones en el estado inicial. Se da una nueva definición de jets dependientes del momento transversal mediante el establecimiento de diferentes teoremas de factorización en diferentes regímenes relacionados principalmente con el tamaño del jet considerado. Esto conduce a una elección particular del eje del jet que permite el establecimiento de teoremas de factorización en cualquier régimen y nos permitirá obtener predicciones numéricas que podrán ser probadas en futuros experimentos como el Electron Ion-Collider.