2023 Fiscal Year Final Research Report

"Can we observe the gravitational form factors of the pion at J-PARC?": studies based on QCD

Research Project

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Project/Area Number	19K03830
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
Research Institution	Juntendo University
Principal Investigator	Tanaka Kazuhiro 順天堂大学, 医学部, 教授 (70263671)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	熊野俊三日本女子大学, 理学部, 教授 (10253577) 川村浩之順天堂大学, 医学部, 准教授 (30415137)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2024-03-31
Keywords	重力形状因子 / QCD / J-PARC / エネルギー・運動量テンソル / GPD / 3ループ / QCD和則 / 高次ツイスト
Outline of Final Research Achievements	Previously unknown values of the twist-4 gravitational form factor in the forward limit are quantitatively calculated using an exact formula based on the trace anomaly. In this formula, we incorporate the perturbative effects up to three loops and the nonperturbative effects using the inputs for matrix elements from recent empirical and lattice QCD results. This resulted in our theoretical prediction of the values of the twist-4 gravitational form factor in the forward limit, with the world's highest accuracy of 2% and 50% for nucleons and pions, respectively. This level of precision for nucleons surpasses our initial goals, and our theory would allow similar high accuracy predictions for pions when experimental data or lattice QCD calculations were improved in the future. These results have also led to a new mass decomposition formula, for nucleons as well as for pions, into the contributions originating from quarks and from gluons, providing new insights into structure of hadrons.
Free Research Field	ハドロン物理、素粒子物理の理論
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	我々の世界を構成する基本要素である陽子を、その内部の素粒子(クォーク、グルーオン)を用いて表現し、素粒子の基礎理論であるQCDに基づいて計算した。特に、重力形状因子と呼ばれる、陽子内でのクォークの空間分布およびグルーオンの空間分布を表す形状因子の前方（運動量移行がゼロ）での値を誤差2パーセント以下の高精度で決定することに成功した。この値は陽子の全エネルギーと関連するため、陽子の質量を、ほぼ質量ゼロである素粒子それぞれの作用を起源とする成分の合計として表す公式を導くことへの応用や、今後の新しい実験データとの比較が待たれるなど、発展性のある結果である。π中間子に対する拡張や関連する他の成果も得た。