Authors:	Gryniuk, Oleksii
Title:	Dispersion relations in two-photon hadronic processes
Online publication date:	27-Oct-2020
Language:	english
Abstract:	The general principles of quantum field theory, such as unitarity of the S-matrix, crossing symmetry and causality (dispersion relations), allow for construction of the full forward Compton scattering (CS) amplitude off protons based on experimental hadronic photoproduction cross sections. This amplitude is an essential test for the low-energy effective field theories, and its low-energy behaviour provides model-independent constraints on the extraction of the electro- magnetic polarizabilities of the proton via sum rules. A numerical evaluation of the forward CS amplitude off the proton together with the corresponding observables and sum rules is provided. Furthermore, the direct assessment of the forward CS amplitude is examined by utilizing the di-lepton photoproduction off protons. It is described how the real part of the unpolarized forward CS amplitude can be accessed at a regime with sufficiently low momentum transfer and outgoing photon virtuality, through the measurement of the forward-backward asymmetry of the outgoing lepton pair interchange in the di-lepton photoproduction process. Estimates of this asymmetry for various kinematics setups at Jefferson Lab and at a planned Electron-Ion Collider are provided. Such measurements may help discriminate between the existing state-of-the-art fits of the total photoabsorption data, ultimately improving our understanding of the high-energy behavior of the hadronic total cross sections, required for the planning of future high-energy colliders, as well as for interpreting cosmic ray experiments. A similar approach to access the J/ψ – proton and Υ – proton forward scattering amplitudes is applied. An analysis of these amplitudes is performed, by relating their imaginary parts to the corresponding photoproduction cross section data. By calculating the s-wave scattering length for these quarkonia from the real parts of the amplitudes, the possibility of bound states in nuclear systems is investigated. It is shown for the J/ψ case that the forward-backward asymmetry of the di-lepton photoproduction at Jefferson Lab can be a very sensitive observable for a refined extraction of the scattering length. For the Υ state, the experimental feasibility at a planned Electron-Ion Collider is examined and a clear potential to extract the scattering length from precision photoproduction measurements is concluded. The application of dispersion relations is extended also to the case of hadronic light-by-light scattering, which is currently one of the two dominant uncertainties in the interpretation of the 3 – 4 σ discrepancy between experiment and the Standard Model prediction of the muon’s anomalous magnetic moment. A model-independent treatment of the forward light-by-light amplitudes is considered by comparing a direct calculation of the real part of this amplitude through lattice quantum chromodynamics with a sum rule evaluation based on the phenomenological input of the γ∗γ∗-fusion cross sections. Die allgemeinen Prinzipien der Quantenfeldtheorie, wie die Unitarität der S-Matrix, Kreuzsymmetrie und Kausalität (Dispersionsrelationen), ermöglichen die Konstruktion der vollständigen, vorwärts-gerichteteten Compton-Streuamplitude (CS) am Proton, basierend auf experimentellen hadronischen Querschnitten der Photoproduktion. Diese Amplitude dient als wesentlicher Test für effektive Niedrigenergie-Feldtheorien, und ihr Verhalten bei kleinen Energien liefert modellunabhängige Einschränkungen für die Extraktion der elektromagnetischen Polarisierbarkeiten des Protons mittels Summenregeln. Eine numerische Auswertung der vorwärts gerichteten CS-Amplitude am Proton, zusammen mit den entsprechenden Observablen und Summenregeln wird bereitgestellt. Außerdem wird die direkte Bewertung der vorwärts gerichtete CS-Amplitude unter Verwendung der Dilepton-Photoproduktion am Proton untersucht. Es wird beschrieben, wie der Realteil der unpolarisierten, vorwärts gerichteten CS-Amplitude in einem Regime mit ausreichend geringem Impulsübertrag und endlicher, ausgehender Photonenvirtualität experimentell durch die Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie des ausgehenden Lepton-Paars im Dilepton-Photoproduktionsprozess gemessen werden kann. Abschätzungen dieser Asymmetrie für verschiedene Kinematiken im Jefferson Lab sowie dem geplanten Elektronen-Ionen-Beschleuniger werden geliefert. Solche Messungen können dazu beitragen, zwischen den vorhandenen, auf dem neuesten Stand der Technik basierenden Anpassungen der gesamten Photoabsorptionsdaten zu unterscheiden und letztendlich unser Verständnis des Hochenergieverhaltens der hadronischen Gesamtquerschnitte zu verbessern, das beispielsweise sowohl für die Planung zukünftiger Hochenergie-Beschleuniger erforderlich ist, als auch zur Interpretation von Experimenten mit kosmischen Strahlen. Ein ähnliches Verfahren wird verwendet, um die vorwärts gerichteten Streuamplituden von J/ψ – Proton und Υ – Proton zu bestimmen. Eine Analyse dieser Amplituden wird durchgeführt, indem ihre Imaginärteile mit den entsprechenden Querschnittsdaten der Photoproduktion in Beziehung gesetzt werden. Durch Berechnung der Streulänge der S-Wellen für diese Quarkonia aus den Realteilen der Amplituden, wird die Möglichkeit gebundener Zustände in Kernsystemen untersucht. Es wird für den Fall J/ψ gezeigt, dass die Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie der Dilepton-Photoproduktion im Jefferson Lab eine sehr empfindliche Observable für eine verfeinerte Extraktion der Streulänge sein kann. Für den Zustand Υ wird die experimentelle Machbarkeit eines geplanten Elektronen-Ionen-Kolliders untersucht und ein klares Potenzial zur Extraktion der Streulänge aus präzisen Photoproduktionsmessungen geschlossen. Die Anwendung von Dispersionsrelationen wird auch auf den Fall der hadronischen Halpern- Streuung ausgedehnt, die derzeit eine der beiden vorherrschenden Unsicherheiten bei der Interpretation der 3 – 4 σ Diskrepanz zwischen Experiment und der Vorhersage des Standardmoduls zum anomalen magnetischen Moment des Myons darstellt. Eine modellunabhängige Behandlung der vorwärts gerichteten Halpern-Amplituden wird durch Vergleich einer direkten Berechnung des Realteils dieser Amplitude durch Gitterquantenchromodynamik mit einer Summenregelauswertung in Betracht gezogen, die auf experimentellen Daten des Wirkungsquerschnitts von γ∗γ∗-Fusion basiert.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik Sonderforschungsbereiche (SFB)
Place:	Mainz
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-5257
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	in Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	120 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen