Exclusive processes described by QCD at electron-ion colliders

Abstract

In this work we aim to investigate electron-ion collisions, a highly important type of process with huge potential to deeply study the structure of matter. In particular, three processes that involve eA collisions are analyzed: diffractive gluon jet production, timelike Compton scattering (TCS) and exclusive Z 0 production. All of them and their corresponding observables are calculated at the center-of-mass energies of upcoming and planned future electron-ion machines, namely the EIC (Electron-Ion Collider), the LHeC (Large Hadron electron Collider) and the FCC (Future Circular Collider). The measurement of diffractive gluon jets opens the possibility of extracting the saturation scale from the experiments, which would be quite relevant for the phenomenology associated with the field of high energy physics. Regarding the TCS, it is performed in eA collisions using the kT -factorization formalism for the first time. The computed predictions will be highly useful for future comparisons against measured data at these machines, leveraging the study and investigation of the structure of matter through electron-ion collisions. Finally, the Z 0 production is a traditional baseline SM signal and investigating this process within electron-ion collisions may be quite advantageous since it has a clear experimental signature if compared to the Z 0 signal coming from hadroproduction and is also perturbatively calculable with not so large uncertainties due to the high mass of the boson.

Neste trabalho buscamos estudar as colisões elétron-ion, um processo altamente importante e que tem grande potencial de realizar uma investigação profunda da estrutura da matéria. Em particular, três processos que envolvem colisões eA são analisados: produção difrativa de jatos de glúons, espalhamento do tipo-tempo (em inglês, timelike Compton scattering - TCS) e produção exclusiva de Z 0 . Todos esses processos e observáveis correspondentes são calculados nas energias de centro de massa de futuras máquinas elétron-ion, como por exemplo o Colisor Elétron Íon (em inglês, Electron-Ion Collider - EIC), o Grande Colisor elétron Hádron (em inglês, Large Hadron electron Collider - LHeC) e o Futuro Colisor Circular (em inglês, Future Circular Collider - FCC). Medidas de jatos difrativos de glúons possibilitam que se extraia a escala de saturação dos experimentos, o que seria extremamente relevante para a fenomenologia associada à física de altas energias. Em relação ao TCS, esse é realizado em colisões eA utilizando-se o formalismo de fatorização kT pela primeira vez. As predições calculadas nesses processos serão muito úteis para futuras comparações com dados medidos nessas máquinas citadas acima, potencializando o estudo da estrutura da matéria através de colisões elétron-ion. Por fim, a produção de Z 0 é um tradicional parâmetro de sinal do Modelo Padrão (em inglês, Standard Model - SM) e investigar esse processo no contexto de colisões elétron - íon pode ser bem vantajoso uma vez que possui um sinal claro de assinatura em comparação ao proveniente de hadroprodução e também é calculável perturbativamente com incertezas não muito grandes devido à alta massa do bóson.