京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第22027号 / 理博第4531号 / 新制||理||1651(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)准教授 菅沼 秀夫, 教授 大西 明, 教授 田中 貴浩 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

A altas energias o n\\\'ucleon (ou o n\\\'ucleo) pode ser visto como um sistema denso de gl\\\'uons, o condensado de vidro de cor. Neste trabalho estudamos a intera\\c\\~ao deste sistema com dipolos de cor. Esta intera\\c\\~ao \\\'e representada pela se\\c\\~ao de choque dipolo-alvo, a qual \\\'e modelada. Utilizamos alguns dos modelos propostos na literatura para descrever os dados do HERA e do RHIC e propusemos uma nova parametriza\\c\\~ao que \\\'e capaz de descrever estes dados simultaneamente, demonstrando a propriedade de universalidade do condensado de vidro de cor. Generalizamos o modelo proposto por Iancu, Itakura e Munier para o caso nuclear e o aplicamos ao estudo de espalhamento el\\\'etron-n\\\'ucleo. Estimamos a influ\\^encia dos efeitos de satura\\c\\~ao nos observ\\\'aveis que ser\\~ao medidos no futuro eRHIC. Conclu\\\'imos entre outras coisas, que uma grande fra\\c\\~ao dos eventos observados ser\\~ao do tipo difrativo. Finalmente usamos a id\\\'eia de dipolo de cor para estudar a se\\c\\~ao de choque charmonium-h\\\'adron. / At high energies a nucleus (and even a nucleon) becomes a dense gluonic system called the color glass condensate. In this work we study the interaction of this dense system with color dipoles. This interaction is represented by the dipole-target cross section, which has to be modeled. We have used, without success, some of the existing models to try to reproduce the data obtained at HERA and RHIC. It was not possible to obtain a global agreement between the models and the two sets of data. We have then proposed a different parametrization of the dipole cross section, which is now compatible with all the available data. In the case of deep inelastic scattering, we have extended the Iancu-Itakura-Munier model to nuclear targets and made predictions for observables to be measured in the future electron-ion collider eRHIC. Among other things, we have concluded that a large fraction of the events will be of the diffractive type. Finally, we have used the color dipole approach to build a simple model for the charmonium-hadron interaction at high energies.

We review the Regge theory and the minijet model for pp and pp collisions. We show that, in the conventional minijet approach, the asymptotic behavior of the total cross section calculated using currently accepted gluon distribution function and perturbative QCD rises too rapidly when compared with the data and fails to satisfy Froissart bound. To tame the rise, we have developed a new formalism for the interaction between QCD gluon and the classical color field of the colliding nucleons, and show how the gluon propagator is modified. The corresponding gauge invariance condition of the propagator is derived and shown to be satisfied. The modified gluon propagator leads to a suppression of the minijet cross section due to the gg [rightwards arrow] gg sub-process in the small-x region. We show that the pp and pp total cross section from [square root]s = 5 GeV to 30 TeV can be described as a sum of a hard component contributed by the classical field modified minijet model and a soft component due to the exchange of the Pomeron and the I=0 exchange-degenerate [omega] and f Regge trajectories. The soft-component model is motivated by the notion of duality. The predicted total cross section has a ln s asymptotic behavior. / text

A altas energias o n\\\'ucleon (ou o n\\\'ucleo) pode ser visto como um sistema denso de gl\\\'uons, o condensado de vidro de cor. Neste trabalho estudamos a intera\\c\\~ao deste sistema com dipolos de cor. Esta intera\\c\\~ao \\\'e representada pela se\\c\\~ao de choque dipolo-alvo, a qual \\\'e modelada. Utilizamos alguns dos modelos propostos na literatura para descrever os dados do HERA e do RHIC e propusemos uma nova parametriza\\c\\~ao que \\\'e capaz de descrever estes dados simultaneamente, demonstrando a propriedade de universalidade do condensado de vidro de cor. Generalizamos o modelo proposto por Iancu, Itakura e Munier para o caso nuclear e o aplicamos ao estudo de espalhamento el\\\'etron-n\\\'ucleo. Estimamos a influ\\^encia dos efeitos de satura\\c\\~ao nos observ\\\'aveis que ser\\~ao medidos no futuro eRHIC. Conclu\\\'imos entre outras coisas, que uma grande fra\\c\\~ao dos eventos observados ser\\~ao do tipo difrativo. Finalmente usamos a id\\\'eia de dipolo de cor para estudar a se\\c\\~ao de choque charmonium-h\\\'adron. / At high energies a nucleus (and even a nucleon) becomes a dense gluonic system called the color glass condensate. In this work we study the interaction of this dense system with color dipoles. This interaction is represented by the dipole-target cross section, which has to be modeled. We have used, without success, some of the existing models to try to reproduce the data obtained at HERA and RHIC. It was not possible to obtain a global agreement between the models and the two sets of data. We have then proposed a different parametrization of the dipole cross section, which is now compatible with all the available data. In the case of deep inelastic scattering, we have extended the Iancu-Itakura-Munier model to nuclear targets and made predictions for observables to be measured in the future electron-ion collider eRHIC. Among other things, we have concluded that a large fraction of the events will be of the diffractive type. Finally, we have used the color dipole approach to build a simple model for the charmonium-hadron interaction at high energies.

A determinação da massa de raios cósmicos ultra energéticos é uma questão em aberto devido a flutuação natural da primeira interação e o desconhecimentos da seção de choque para altas energias (E > 1017 eV). Alguns estudos (1) mostraram que modificações sistemáticas das propriedades em interações hadrônicas interfere significativamente no desenvolvimento de chuveiros atmosféricos extensos e, consequentemente, provêm diferentes interpretações para os resultados de raios cósmicos. No limite de altas energias, pode ocorrer a saturação de glúons na superfície nuclear, o que resulta no aumento da seção de choque próton-próton e próton-núcleo em relação ao modelo de Glauber. A seção de choque cresce com a energia e está relacionada com a função de distribuição de probabilidade de encontrar um centro espalhado que é maior no modelo de saturação de glúons. Neste trabalho analisamos a seção de choque próton-ar e núcleo-ar para energias acima de 1018 eV usando a hipótese da saturação de glúons (2). Implementamos a saturação de glúons no modelos de interações hadrônicas de altas energia SIBYLL e estudamos o desenvolvimento do chuveiro atmosférico extenso usando o programa CORSIKA. Comparamos os resultados com a taxa de elongação medida pelo Observatório Pierre Auger. Concluímos mostrando o efeito da saturação de glúons na interpretação na composição da massa de raios cósmicos ultra energéticos. / The determination of the composition of ultra high energy cosmic rays is an open question due to natural fluctuations of the first interaction point and unknow high energy cross sections. Some studies (1) have shown that systematic modifications in the hadronics interaction properties infer significantly in the development of extensive air showers and, consequently, provides different interpretations of cosmic ray results. In high energy limit (E > 1018eV), gluon saturation may occur in the nuclear surface region, so that the cross section proton-proton and proton-nucleus increase more rapidly with incident energy than Glauber theory. The cross section rise with energy is related to the probability distribution function of scattering centers which is larger for gluon saturation models. In this work we analyze the cross section proton-proton and proton-nucleus at energies above 1018 eV using the gluon saturation hypothesis (2). We implemented the gluon saturation physics in the SIBYLL hadronic interaction model and we studied the development of the air shower using the CORSIKA program. Different extrapolation models of high energy interaction with gluon interaction have been implemented in SIBYLL. We compared the simulation results using gluon saturation with the measured elongation rate published by the Pierre Auger Collaborations. We conclude by showing the effect of gluon saturation in the interpretation of cosmic ray by composition.

A determinação da massa de raios cósmicos ultra energéticos é uma questão em aberto devido a flutuação natural da primeira interação e o desconhecimentos da seção de choque para altas energias (E > 1017 eV). Alguns estudos (1) mostraram que modificações sistemáticas das propriedades em interações hadrônicas interfere significativamente no desenvolvimento de chuveiros atmosféricos extensos e, consequentemente, provêm diferentes interpretações para os resultados de raios cósmicos. No limite de altas energias, pode ocorrer a saturação de glúons na superfície nuclear, o que resulta no aumento da seção de choque próton-próton e próton-núcleo em relação ao modelo de Glauber. A seção de choque cresce com a energia e está relacionada com a função de distribuição de probabilidade de encontrar um centro espalhado que é maior no modelo de saturação de glúons. Neste trabalho analisamos a seção de choque próton-ar e núcleo-ar para energias acima de 1018 eV usando a hipótese da saturação de glúons (2). Implementamos a saturação de glúons no modelos de interações hadrônicas de altas energia SIBYLL e estudamos o desenvolvimento do chuveiro atmosférico extenso usando o programa CORSIKA. Comparamos os resultados com a taxa de elongação medida pelo Observatório Pierre Auger. Concluímos mostrando o efeito da saturação de glúons na interpretação na composição da massa de raios cósmicos ultra energéticos. / The determination of the composition of ultra high energy cosmic rays is an open question due to natural fluctuations of the first interaction point and unknow high energy cross sections. Some studies (1) have shown that systematic modifications in the hadronics interaction properties infer significantly in the development of extensive air showers and, consequently, provides different interpretations of cosmic ray results. In high energy limit (E > 1018eV), gluon saturation may occur in the nuclear surface region, so that the cross section proton-proton and proton-nucleus increase more rapidly with incident energy than Glauber theory. The cross section rise with energy is related to the probability distribution function of scattering centers which is larger for gluon saturation models. In this work we analyze the cross section proton-proton and proton-nucleus at energies above 1018 eV using the gluon saturation hypothesis (2). We implemented the gluon saturation physics in the SIBYLL hadronic interaction model and we studied the development of the air shower using the CORSIKA program. Different extrapolation models of high energy interaction with gluon interaction have been implemented in SIBYLL. We compared the simulation results using gluon saturation with the measured elongation rate published by the Pierre Auger Collaborations. We conclude by showing the effect of gluon saturation in the interpretation of cosmic ray by composition.