New Horizons for Strong QCD Theory in the 12 GeV era at Jefferson - PowerPoint PPT Presentation

New Horizons for Strong QCD Theory in the 12 GeV era at Jefferson Lab Strong ¡QCD ¡from ¡ ¡ § QCD at Fermi scale Hadron ¡ Structure ¡Experiments ¡ § “See” hadron structure § CEBAF 12 GeV upgrade Jefferson ¡Lab, ¡Newport ¡News, ¡VA ¡ 6-­‑9 ¡November ¡2019 ¡ § Science & Capabilities § Initial excitements § Future opportunities § JLab12 to EIC § Summary Jianwei Qiu Theory Center

QCD at Fermi Scale q QCD ¡landscape ¡of ¡nucleon ¡and ¡nuclei ¡– ¡Strong ¡QCD! ¡ Color ¡Confinement ¡ Asympto;c ¡freedom ¡ Q (GeV) 200 ¡MeV ¡(1 ¡fm) ¡ 2 ¡GeV ¡(1/10 ¡fm) ¡ Probing ¡ scale ¡ New ¡Horizon: ¡Femto-­‑science ¡(0.1-­‑10 ¡fm) ¡ Asympto<c ¡ regime ¡ PQCD ¡ works ¡ beau<fully! ¡

QCD at Fermi Scale q QCD ¡landscape ¡of ¡nucleon ¡and ¡nuclei ¡– ¡Strong ¡QCD! ¡ Color ¡Confinement ¡ Asympto;c ¡freedom ¡ Q (GeV) 200 ¡MeV ¡(1 ¡fm) ¡ 2 ¡GeV ¡(1/10 ¡fm) ¡ Probing ¡ scale ¡ New ¡Horizon: ¡Femto-­‑science ¡(0.1-­‑10 ¡fm) ¡ Asympto<c ¡ regime ¡ Strong ¡QCD ¡– ¡QCD ¡at ¡the ¡Fermi ¡scale ¡ ¡ PQCD ¡ is ¡the ¡most ¡interes;ng, ¡rich, ¡and ¡complex, ¡ ¡ works ¡ but ¡mysterious ¡and ¡challenging ¡regime ¡of ¡the ¡theory! ¡ beau<fully! ¡ We ¡do ¡not ¡see ¡quarks ¡and ¡gluons ¡in ¡isola>on! ¡ All ¡emergent ¡phenomena ¡depend ¡on ¡the ¡probes ¡ ¡ and ¡the ¡scale ¡at ¡which ¡we ¡probe ¡them! ¡

QCD at Fermi Scale q QCD ¡landscape ¡of ¡nucleon ¡and ¡nuclei ¡– ¡Strong ¡QCD! ¡ Color ¡Confinement ¡ Asympto;c ¡freedom ¡ Q (GeV) 200 ¡MeV ¡(1 ¡fm) ¡ 2 ¡GeV ¡(1/10 ¡fm) ¡ Probing ¡ scale ¡ New ¡Horizon: ¡Femto-­‑science ¡(0.1-­‑10 ¡fm) ¡ Asympto<c ¡ regime ¡ Strong ¡QCD ¡– ¡QCD ¡at ¡the ¡Fermi ¡scale ¡ ¡ PQCD ¡ is ¡the ¡most ¡interes;ng, ¡rich, ¡and ¡complex, ¡ ¡ works ¡ but ¡mysterious ¡and ¡challenging ¡regime ¡of ¡the ¡theory! ¡ beau<fully! ¡ We ¡do ¡not ¡see ¡quarks ¡and ¡gluons ¡in ¡isola>on! ¡ k T All ¡emergent ¡phenomena ¡depend ¡on ¡the ¡probes ¡ ¡ xp and ¡the ¡scale ¡at ¡which ¡we ¡probe ¡them! ¡ b T q My ¡talk: ¡ Explore ¡the ¡QCD ¡landscape ¡of ¡nucleon ¡and ¡nuclei ¡by ¡using ¡controllable, ¡shape, ¡ local ¡probes, ¡but, ¡“moving ¡or ¡scanning” ¡them ¡throughout ¡the ¡regime! ¡

QCD at Fermi Scale q QCD ¡landscape ¡of ¡nucleon ¡and ¡nuclei ¡– ¡Strong ¡QCD! ¡ Color ¡Confinement ¡ Asympto;c ¡freedom ¡ Q (GeV) 200 ¡MeV ¡(1 ¡fm) ¡ 2 ¡GeV ¡(1/10 ¡fm) ¡ Probing ¡ scale ¡ New ¡Horizon: ¡Femto-­‑science ¡(0.1-­‑10 ¡fm) ¡ q Need ¡to ¡iden;fy ¡observables ¡with ¡two-­‑momentum ¡scales: ¡ Q 1 � Q 2 ⇠ 1 /R ⇠ Λ QCD ² Hard ¡scale: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡localizes ¡the ¡probe ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡par;cle ¡nature ¡of ¡quarks/gluons ¡ ² “SoU” ¡scale: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡could ¡be ¡more ¡sensi;ve ¡to ¡the ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡hadron ¡structure ¡~ ¡1/fm ¡ ² Hit ¡the ¡hadron ¡“very ¡hard” ¡without ¡breaking ¡it, ¡clean ¡informa;on ¡on ¡the ¡structure! ¡ ¡

QCD at Fermi Scale q QCD ¡landscape ¡of ¡nucleon ¡and ¡nuclei ¡– ¡Strong ¡QCD! ¡ Color ¡Confinement ¡ Asympto;c ¡freedom ¡ Q (GeV) 200 ¡MeV ¡(1 ¡fm) ¡ 2 ¡GeV ¡(1/10 ¡fm) ¡ Probing ¡ scale ¡ New ¡Horizon: ¡Femto-­‑science ¡(0.1-­‑10 ¡fm) ¡ q Any ¡cross ¡sec;on ¡with ¡iden;fied ¡hadron(s) ¡is ¡NOT ¡perturba;vely ¡calculable! ¡ k T k T e ¡ p ¡ xp xp b T b T 2 ¡ 1 ⎛ ⎞ xP, ¡k T ¡ O QR σ DIS ( x, Q 2 ) = + ⊗ ≈ 1 /Q → ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ Power ¡correc;ons ¡ Factoriza;on ¡ Hard-­‑part ¡ Parton-­‑distribu;on ¡ Approxima>on! ¡ Probe ¡ Structure ¡ Structure: ¡in ¡terms ¡of ¡quantum ¡matrix ¡elements/probabili>es, ¡… ¡

QCD factorization works to the precision q Data ¡sets ¡for ¡Global ¡fits: ¡ q Kinema;c ¡coverage: ¡ q Fit ¡quality: ¡

QCD factorization works to the precision SM: ¡Electroweak ¡processes ¡+ ¡QCD ¡perturba>on ¡theory ¡+ ¡PDFs ¡works! ¡

“See” the hadron structure Q Boost ¡= ¡>me ¡dila>on ¡ By ¡collision ¡ ¡ breaking ¡ ¡ the ¡hadron ¡ π Probability ¡to ¡ ¡ Hard ¡probe ¡(t ¡~ ¡1/Q ¡~ ¡1/xp ¡< ¡fm) ¡ “catch” ¡the ¡parton! ¡ Control ¡of ¡ Q the ¡2 nd ¡scale! ¡ γ By ¡collision ¡ ¡ keeping ¡ ¡ hadron ¡intact ¡ k T Boosted ¡partonic ¡structure ¡is ¡encoded ¡in ¡probability ¡distribu>ons: ¡ xp b T ¡PDFs, ¡TMDs, ¡GPDs, ¡… ¡non-­‑perturba>ve! ¡

“See” the hadron structure Q Boost ¡= ¡>me ¡dila>on ¡ By ¡collision ¡ ¡ breaking ¡ ¡ the ¡hadron ¡ π Probability ¡to ¡ ¡ Hard ¡probe ¡(t ¡~ ¡1/Q ¡~ ¡1/xp ¡< ¡fm) ¡ “catch” ¡the ¡parton! ¡ Control ¡of ¡ Q the ¡2 nd ¡scale! ¡ γ By ¡collision ¡ ¡ keeping ¡ ¡ hadron ¡intact ¡ k T Boosted ¡partonic ¡structure ¡is ¡encoded ¡in ¡probability ¡distribu>ons: ¡ xp b T ¡PDFs, ¡TMDs, ¡GPDs, ¡… ¡non-­‑perturba>ve! ¡ q Tools ¡to ¡“see” ¡the ¡hadron’s ¡partonic ¡structure: ¡ ² Experiment ¡+ ¡QCD ¡factoriza;on ¡+ ¡Global ¡analysis/Phenomenology ¡+ ¡Compu;ng ¡ ² La`ce ¡QCD ¡+ ¡QCD ¡factoriza;on ¡+ ¡Global ¡analysis/Phenomenology ¡+ ¡Compu;ng ¡ Complementary ¡to ¡each ¡other, ¡need ¡each ¡other, ¡… ¡ ¡

QCD needs lepton-hadron facility q Hadrons ¡are ¡produced ¡from ¡the ¡energy ¡in ¡e+e-­‑ ¡collisions: ¡ § No ¡hadron ¡to ¡start ¡with ¡ § Emergence ¡of ¡hadrons ¡ q Hadrons ¡are ¡produced ¡in ¡hadron-­‑hadron ¡collisions: ¡ § Partonic ¡structure ¡ ¡ § Emergence ¡of ¡hadrons ¡ § Heavy ¡ion ¡target ¡or ¡beam(s) ¡ ¡ Also ¡at ¡the ¡LHC ¡ q Hadrons ¡are ¡produced ¡in ¡lepton-­‑hadron ¡collisions: ¡ § Colliding ¡hadron ¡can ¡be ¡ broken ¡or ¡stay ¡intact! ¡ ¡ § Imaging ¡partonic ¡structure ¡ § Emergence ¡of ¡hadrons ¡ ¡ Also ¡at ¡COMPASS ¡& ¡ ¡ § Heavy ¡ion ¡target ¡or ¡beam ¡ One ¡facility ¡covers ¡all! ¡ future ¡EIC ¡ JLab ¡12 ¡GeV ¡ EIC ¡ Sea ¡and ¡glue ¡ Valence ¡

CEBAF 12 GeV Upgrade CEBAF ¡ Hall ¡D ¡ Hall ¡B ¡ Project ¡Comple>on ¡Approved ¡on ¡September ¡27, ¡2017 ¡ Hall ¡C ¡ All ¡four ¡Halls ¡are ¡in ¡physics ¡opera>ons ¡ JLab ¡12 ¡GeV ¡science ¡era ¡is ¡here! ¡ A ¡cri>cal ¡step ¡toward ¡EIC! ¡ A ¡Lepton-­‑Hadron ¡Facility ¡has ¡the ¡highest ¡luminosity ¡

JLab12 Scientific Questions excited gluon field • What ¡is ¡the ¡role ¡of ¡gluonic ¡excita;ons ¡in ¡the ¡ spectroscopy ¡of ¡light ¡mesons? ¡Can ¡these ¡ excita;ons ¡elucidate ¡the ¡origin ¡of ¡quark ¡ confinement? ¡ • Where ¡is ¡the ¡missing ¡spin ¡in ¡the ¡nucleon? ¡ ¡Is ¡there ¡a ¡significant ¡contribu;on ¡from ¡ valence ¡quark ¡orbital ¡angular ¡momentum? ¡ ¡ • Can ¡we ¡reveal ¡a ¡novel ¡landscape ¡of ¡nucleon ¡ substructure ¡through ¡3D ¡imaging ¡at ¡the ¡ femtometer ¡scale? ¡ • What ¡is ¡the ¡rela;on ¡between ¡short-­‑range ¡N-­‑N ¡ correla;ons, ¡the ¡partonic ¡structure ¡of ¡nuclei, ¡ and ¡the ¡nature ¡of ¡the ¡nuclear ¡force? ¡ ¡ • Can ¡we ¡discover ¡evidence ¡for ¡physics ¡ ¡beyond ¡the ¡standard ¡model ¡ ¡of ¡par;cle ¡physics? ¡