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Transverse momentum dependent distributions for the Electron-Ion Collider era

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2021-05-18
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Universidad Complutense de Madrid
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The physical theory which deals with the strong interactions between quarks and gluons in known as Quantum Chromodynamics (QCD). This theory, together with the ones that deal with electromagnetic and weak interactions (unified in electroweak theory) are combined into the Standard Model (SM). This theory is built in terms of a Lagrangian of quantized fields describing fundamental degrees of freedom, quarks and leptons, and bosons that act as carriers of the cited interactions. One of the more fundamental open questions in QCD is to understand how the observed properties of hadrons are generated by the dynamics of their inner constituents. In order to shed some light on this question physicists use different theoretical approaches from different perspectives, like perturbative QCD, effective field theories, lattice QCD, etc. A very interesting research field to test and understand QCD is the exploration of the multi-dimensional structure of hadrons. The main goal of this field is to reconstruct multi-dimensional images of a hadron investigating the distribution of partons, namely quarks and gluons, inside it. In this way, issues such as the role of quarks and gluons in generating the nucleon’s spin or partonic angular momentum can be investigated. There is a high interest into hadron structure in the experimental community, with important facilities such JLab, DESY, BNL, CERN, KEK. Also, the LHC can help a lot in this field, especially to understand the role of gluons inside the protons. Recently, the US government has approved the construction of a new accelerator, the Electron-Ion Collider (EIC) at BNL. Part of the predictions given in this thesis are suitable to be tested in this new accelerator. A very interesting type of observables that can give information about hadron structure are the ones with non-vanishing transverse momentum dependence. This interest was already there in the first years after the establishment of QCD as a fundamental theory of strong interactions [1–5]. These observables are very interesting for hadron colliders and have very relevant impact on, e.g., the study of Higgs boson production and the search for physics Beyond Standard Model. A crucial point to deal with these type of processes is obtaining well defined factorization theorems and resumming large logarithmic contributions to perform phenomenological analyses. A large amount of work has been done to establish factorization theorems with un-integrated transverse momentum for very relevant processes as Drell-Yan production (proton-proton collision leading to a pair of leptons in the final state) or semi-inclusive deep inelastic scattering (electron-proton collisions leading to a hadron in the final state) [6–17]. In general terms, a factorized cross section is written in terms of a hard factor that includes all the high-energy physics and two objects that include information about the distribution of partons inside the hadrons in the process. These elements are known as transverse momentum dependent parton distribution functions (TMDPDFs)...
La teoría física que se ocupa de las interacciones fuertes entre quarks y gluones se conoce como la Cromodinámica Cuántica (QCD por sus siglas en inglés). Esta teoría, junto con las que se ocupan de las interacciones electromagnéticas y débiles (unificadas en la teoría electrodébil) se combinan en el Modelo Estándar. El Modelo Estándar se construye en términos de un lagrangiano de campos cuantizados que describen grados fundamentales de libertad, quarks y leptones, y bosones que actúan como portadores de las interacciones citadas. Una de las preguntas abiertas más fundamentales en QCD se basa en entender cómo las propiedades de los hadrones observadas son generadas por la dinámica de sus componentes internos. Para dar algo de luz a esta pregunta, los físicos usan diferentes enfoques teóricos desde diferentes perspectivas, como QCD perturbativa, teorías de campo efectivas, QCD en el retículo, etc. Un campo de investigación muy interesante que puede ayudar mucho en este sentido, es la exploración de la estructura tridimensional de los hadrones. El objetivo principal de este campo es hacer una imagen tridimensional de un hadrón investigando la distribución de partones, conocidos como quarks y gluones, dentro de él. De esta manera, se pueden investigar cuestiones como el papel de los quarks y los gluones en la generación del espín del nucleón o el momento angular partónico. Por otro lado, existe un gran interés en la estructura de hadrónica por parte de la comunidad experimental con importantes instalaciones como JLab, DESY, BNL, CERN o KEK. Además, el LHC puede ayudar mucho en este tema, especialmente para comprender el papel de los gluones dentro de los protones. Recientemente, el gobierno de los Estados Unidos ha dado luz verde para comenzar la construcción de un nuevo acelerador, el Electron-Ion collider (EIC). Parte de las predicciones dadas en esta tesis están orientadas a ser probadas en este nuevo acelerador. Un tipo muy interesante de observables que pueden proporcionar información sobre la estructura hadrónica son los que tienen una dependencia no nula del momento transverso. Este interés proviene de poco tiempo después del establecimiento de QCD de una teoría fundamental de las interacciones fuertes [1–5]. Un punto crucial para tratar con este tipo de procesos es obtener teoremas de factorización bien definidos y así resumar las contribuciones de logaritmos grandes para realizar análisis fenomenológicos. Se ha trabajado mucho en este sentido para establecer teoremas de factorización para procesos con momento transverso no nulo para procesos muy relevantes como la producción de Drell-Yan (colisión protón-protón que conduce a un par de leptones en el estado final) o dispersión profundamente inelástica (colisiones electrón-protón que conducen a un hadrón en el estado final) [6–17]. En líneas generales, una sección eficaz factorizada se escribe en términos de un factor hard que incluye toda la física de altas energías 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 del momento transverso (TMDPDF por sus siglas en inglés)...
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Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Físicas, Departamento de Física Teórica, leída el 11/12/2020
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