Orientadores: Marcio José Menon, Adriano Antonio Natale

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin

Resumo: Assim como a Eletrodinâmica Quântica (QED) representa a teoria fundamental das interações eletromagnéticas no domínio subatômico, a Cromodinâmica Quântica (QCD) qualifica-se atualmente como a melhor candidata a teoria fundamental das interações fortes - presentes no domínio nuclear, em...

Resumo: Assim como a Eletrodinâmica Quântica (QED) representa a teoria fundamental das interações eletromagnéticas no domínio subatômico, a Cromodinâmica Quântica (QCD) qualifica-se atualmente como a melhor candidata a teoria fundamental das interações fortes - presentes no domínio nuclear, em distâncias características 1 fm (1015 m). Como uma teoria fundamental, a QCD busca descrever a estrutura de hádrons e núcleos em termos dos campos elementares de quarks e glúons. Por um lado, muitas de suas previsões tem sido confirmadas ao longo dos anos por experimentos realizados em aceleradores de partículas. Por outro lado, certos fenômenos ainda não encontram descrição completa no âmbito da QCD e carecem de investigação profunda, como é o caso dos espalhamentos hadrônicos suaves (a pequeno momento transferido) em altas energias, principal objeto de estudo dessa tese. Do ponto de vista teórico, devido à ausência de um formalismo único, fundamentado na QCD, capaz de tratar de forma sistemática o setor não-perturbativo, torna-se um desafio explicar a dinâmica dos processos difrativos suaves, elásticos e dissociativos, em termos fundamentais. Por essa razão, estudos desses processos têm sido realizados no escopo fenomenológico, visando extrair propriedades gerais das interações hadrônicas no regime de altas energias. Nesse contexto, dedicamo-nos nesta tese à apresentação de um estudo abrangente sobre o espalhamento elástico de hádrons com foco na fronteira de energia explorada no LHC, utilizando abordagens empíricas e fenomenológicas dos espalhamentos protón-próton (pp) e antipróton-próton em energias de centro de massa no intervalo, (s)^(1/2) = 5 GeV - 8 TeV. Investigamos ainda a saturação de limites de unitaridade em colisões pp e propriedades físicas das interações hedônicas em altíssimas energias. A apresentação dos resultados da tese abrange três abordagens distintas e efetivas para a análise e descrição de dados experimentais de grandezas físicas dos espalhamentos pp e pp. Inicialmente, discutimos a aplicabilidade de um modelo inspirado em QCD para o espalhamento elástico, o qual apresenta conexões explicitas com aspectos da dinâmica do setor não-perturbativo, de forma vinculada a resultados recentes de QCD na rede e de soluções de Equações de Schwinger-Dyson (SDE). O ponto central dessa abordagem é o estudo da influência de uma escala de massa, m0, associada à geração dinâmica de massa de gluons na região não-perturbativa da QCD. Em seguida, tratamos o problema do crescimento das seções de choque total, elástica e inelástica através de duas abordagens empíricas dos espalhamentos próton-próton e antipróton-proton e discutimos três possíveis cenários de saturação (assintótica) da razão entre as seções de choque elástica e total. Por fim, investigamos o problema da seção de choque diferencial elástica no LHC _a luz do modelo empírico de Barger-Phillips para a amplitude de espalhamento. Propomos a utilização desse modelo para descrição dos dados experimentais em 7 TeV da Colaboração TOTEM e apresentamos previsões para a seção de choque diferencial nas energias 8 TeV e 14 TeV do LHC. No âmbito desse modelo, assumimos a saturação de duas regras de soma assintóticas para a amplitude de espalhamento elástico, e estudamos o caso particular de saturação assintótica do limite de disco negro, estimando o valor de energia no qual tal limite poderia ser atingido

Abstract: Just as Quantum Electrodynamics (QED) is the fundamental theory of electromagnetic interactions at the subatomic level, Quantum Chromodynamics (QCD) currently qualifies as the best candidate of an elementary theory of strong interactions - participating in hadronic reactions at typical...

Abstract: Just as Quantum Electrodynamics (QED) is the fundamental theory of electromagnetic interactions at the subatomic level, Quantum Chromodynamics (QCD) currently qualifies as the best candidate of an elementary theory of strong interactions - participating in hadronic reactions at typical distances ~ 1 fm (1015 m). As a fundamental theory, QCD seeks to describe the structure of hadrons and nuclei in terms of the elementary fields of quarks and gluons. On the one hand, many of its predictions have been confirmed in experiments using particle accelerators. On the other hand, several other phenomena still lack a full description in QCD and require thorough investigation, such as soft hadron-hadron scattering (at small momentum transfer) at high energies, the main object of study of this thesis. From the theoretical point of view, due to the absence of a formalism fully based on QCD, being able to treat systematically the nonperturbative sector, it becomes a challenge to explain the dynamical features of soft diffractive processes, elastic and inelastic dissociation, in fundamental terms. For this particular reason, studies of these processes have been done in the phenomenological scope, aiming to extract general properties of hadronic interactions at high energies. In this doctoral thesis we present a comprehensive study of elastic hadron scattering with focus in the energy frontier explored at the LHC, using empirical and phenomenological approaches to treat proton-proton and antiproton-proton scattering at center of mass energies in the range (s)^(1/2) = 5 GeV - 8 TeV. Moreover, we investigate possible scenarios of unitarity saturation in pp collisions and asymptotic properties of hadronic interactions. The results displayed here encompass three distinct approaches to elastic pp and _pp hadron scattering at high energies, being effective in the description of all experimental data analyzed. Firstly, we discuss the applicability of a QCD-inspired model to elastic scattering, with the main virtue of providing explicit connections with the dynamics of nonperturbative QCD, linked to recent results from lattice QCD and solutions of Schwinger-Dyson Equations (SDE) for the gluon propagator. In effect, the major goal of this approach, henceforth called DGM (Dynamical Gluon Mass), is to study the influence of a mass scale, m0, related to dynamical gluon mass generation at the infrared QCD sector. Secondly, one treats the problem of the rise of total, elastic and inelastic cross sections in proton-proton and antiproton-proton scattering from an empirical perspective, discussing three possible scenarios of saturation of the ratio between the total and elastic cross sections. Finally, we investigate the problem of the elastic differential cross section at the LHC in the light of an empirical model for the scattering amplitude by Barger and Phillips. We propose to use this model to describe the experimental data by the TOTEM Collaboration at 7 TeV and give predictions for the differential elastic cross section at LHC higher energies 8 TeV and 14 TeV. Using this model, we assume the saturation of two asymptotic sum rules for the elastic amplitude in order to estimate the energy frontier in which the black disc limit might be achieved