[論文レビュー] Beam Normal Single Spin Asymmetry Measurements from QWeak

B. Waidyawansa, Collaboration, the QWeak|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ジェファーソンラボのQ weak実験を用いて、1.155 GeVおよび7.8°の実験角度で、弾性電子-陽子散乱におけるビーム正規単一スピン非対称性（$B_n$）の予備的測定を3.2%の精度で報告している。この測定結果は、二光子交換振幅に多π中間状態を含む理論的モデルを支持しており、前向き角領域における$B_n$の制約を強化し、非弾性および核散乱過程の今後の詳細な研究の基盤を築く。

ABSTRACT

The Q weak experiment has made several interesting beam normal single spin asymmetry measurements. Preliminary result from a 3.2% measurement of the beam normal single spin asymmetry in elastic e+p scattering at E = 1.155 GeV and θ lab = 7.8(deg) is presented. We have also made measurements of this asymmetry in elastic and inelastic scattering in the Delta resonance region from Hydrogen, Aluminum and Carbon targets and e+e scattering from Hydrogen target. Some initial results from these measurements are also presented.

研究の動機と目的

• 前向き角領域で高精度な弾性電子-陽子散乱におけるビーム正規単一スピン非対称性（$B_n$）の測定を目的とする。
• 異なる中間核子状態を仮定した予測と$B_n$の測定値を比較することで、二光子交換振幅の理論的モデルを検証すること。
• Δ共鳴領域における非弾性散乱および炭素およびアルミ標的に弾性散乱における$B_n$の測定を拡張すること。
• 多π励起状態が二光子交換過程に与える寄与を含むか否かのモデルと比較することで、その役割を解明すること。
• 質量数A = 12からA = 208のスピン0核において、$B_n$に関する新たな制約を提供し、既存の理論と実験の不一致を解消すること。

提案手法

• 1.16 GeVの横方向に偏光した電子ビーム（150–180 $μ$A）を、Pockelsセルを用いて960 Hzでヘリシティを反転させた。
• Cerenkov検出器（約50%の透過率）を用いて、8つの方位角オクタントで検出器非対称性$A_{det} = (Y^+ - Y^-)/(Y^+ + Y^-)$を測定した。
• Pockelsセルとは独立してビームヘリシティを周期的に反転させるための半波長板を挿入し、ヘリシティ相関のあるビーム系のずれを低減した。
• オクタント依存の非対称性を$A_{det}(φ_{det}) = A_{exp} \sin(\phi_{det} - \phi_s)$でフィッティングし、実験的非対称性$A_{exp}$を抽出した。
• ビーム偏光、運動学的要因、バックグラウンド（例：標的にある窓、非弾性汚染）を補正するために、$B_n = R \left( \frac{A_{exp}/P - \sum A_{bkg}^i f_i}{1 - \sum f_i} \right)$を用いた。
• 残留ヘリシティ相関のあるビーム非対称性を除去するために、複数の線形回帰を分析に用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1.155 GeVおよび7.8°における弾性電子-陽子散乱におけるビーム正規単一スピン非対称性（$B_n$）の大きさと符号は何か？
• RQ2 二光子交換の理論的モデル—単一π中間状態を含むか、多π中間状態を含むか—のうち、測定された$B_n$を最もよく記述するのはどれか？
• RQ3 Δ共鳴領域における非弾性電子散乱の$B_n$はどのように振る舞い、前向き角領域で予想される正の非対称性を示すか？
• RQ4 炭素およびアルミ標的に弾性散乱における$B_n$の値は何か？また、核の質量数に応じてどのように変化するか？
• RQ5 モーラーピークにおけるe+e散乱の$B_n$測定は、完全にレプトン的過程における二光子交換モデルの明確なテストを可能にするか？

主な発見

• 1.155 GeVおよび7.8°における弾性e+p散乱における$B_n$の予備的測定で、$-5.35 \pm 0.07$（統計）$\pm 0.15$（系）ppmの結果が得られ、3.2%の精度に達した。
• 測定された$B_n$の値は、二光子交換振幅に多π中間状態を含む理論モデルを、単一π励起に限ったモデルよりも支持している。
• Δ共鳴領域における非弾性e+p散乱の非対称性は非ゼロの振幅を示し、弾性非対称性とは逆位相にあり、理論的予測と整合的である。
• アルミ標的に弾性e+Al散乱データへの初期フィッティングでは非ゼロの実験的非対称性が得られ、A = 12からA = 208のスピン0核における$B_n$の制約に新たなデータポイントを提供している。
• 0.877 GeVにおけるe+e散乱データの統計誤差バーは、モーラーピークでの理論予測（数ppm程度）に近い精度に達しており、整合的である。
• 炭素およびアルミ標的に$B_n$を分析中であり、非弾性寄与および標的汚染効果の理論的入力を得る必要があるため、進捗はそれらに依存している。