[論文レビュー] Electron Scattering with Polarized Targets at TESLA

N Study Group, M. Anselmino+40 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2000

Advanced Data Storage Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、TESLA線形衝突装置における高光度偏極電子・核子散乱実験（TESLA-N）を提案する。偏極された縦方向の電子と固体標的（偏極された横方向または縦方向）を用い、クォークのヘリシティおよびトランスバーシティ分布を画期的な精度で測定する。主な貢献は、トランスバーシティ分布のxおよびQ²依存性の完全なマッピングを初めて実現し、QCDのスピン系における予測力の直接的検証と、テンソル荷重を介した手術的奇性オペレーターへのアクセスを可能にすることである。

ABSTRACT

Measurements of polarized electron-nucleon scattering can be realized at the TESLA linear collider facility with projected luminosities that are about two orders of magnitude higher than those expected of other experiments at comparable energies. Longitudinally polarized electrons, accelerated as a small fraction of the total current in the e+ arm of TESLA, can be directed onto a solid state target that may be either longitudinally or transversely polarized. A large variety of polarized parton distribution and fragmentation functions can be determined with unprecedented accuracy, many of them for the first time. A main goal of the experiment is the precise measurement of the x- and Q^2-dependence of the experimentally totally unknown quark transversity distributions that will complete the information on the nucleon's quark spin structure as relevant for high energy processes. Comparing their Q^2-evolution to that of the corresponding helicity distributions constitutes an important precision test of the predictive power of QCD in the spin sector. Measuring transversity distributions and tensor charges allows access to the hitherto unmeasured chirally odd operators in QCD which are of great importance to understand the role of chiral symmetry. The possibilities of using unpolarized targets and of experiments with a real photon beam turn TESLA-N into a versatile next-generation facility at the intersection of particle and nuclear physics.

研究の動機と目的

• クォークのトランスバーシティ分布のxおよびQ²依存性を、これまでにない精度で測定する。多くの分布はこれまで未知であった。
• トランスバーシティ分布のQ²進化をヘリシティ分布と比較することで、スピン系におけるQCDの予測力の高精度な検証を行う。
• テンソル荷重の測定を通じて、標準的な電磁的または弱いプローブでは得られないQCDにおける手術的奇性オペレーターにアクセスする。
• グルーオンの偏極を含む偏極パートオン分布関数の決定により、バリオンの運動量の分解を完全に実現する。
• 非偏極標的および実光子ビームを用いた実験を可能にするなど、粒子物理学と核物理学をつなぐ多用途次世代施設としてTESLA-Nを確立する。

提案手法

• TESLA施設に特化した電子銃システムを用い、0.77 nsパルスあたり20,000個の高偏極度電子ビームを生成することで、高光度運転を実現する。
• 縦方向または横方向に偏極可能な固体標的に偏極電子ビームを照射し、異なるスピン依存性観測量にアクセスする。
• 運動量分解能約0.5%、角度分解能約0.3 mradを有する3段階のスぺクトラメーターシステムを導入し、散乱電子および主要ハドロンの高精度な運動量・角度測定を実現する。
• 半包含的過程において反動核子を測定するためのリcoil検出器を設置し、トランスバーシティ分布へのアクセスを可能にする。
• TESLAの高い中心系エネルギーや光度（約10^34 cm⁻²s⁻¹）を活用し、高統計的測定を実現し、広範なxおよびQ²スキャンをカバーする。
• 半包含的深エネルギーストレイン散乱（SIDIS）過程を用い、構造関数に現れないトランスバーシティ分布を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TESLAにおける偏極電子・核子散乱を用いて、クォークのトランスバーシティ分布のxおよびQ²依存性を高精度で測定できるか？
• RQ2 トランスバーシティ分布のQ²進化は、ヘリシティ分布とどのように比較されるか。これは、スピン系におけるQCDの予測力に何を示唆するか？
• RQ3 トランスバーシティ測定を通じて、テンソル荷重および手術的奇性行列要素をどれほど正確にアクセスできるか。それらは手術的偶性観測量とどのように異なるか？
• RQ4 必要な光度および分解能を満たす条件下で、偏極ビームおよび標的に基づくTESLAにおける固定標的型電子・核子散乱実験の実現可能性と性能はいかがなものか？
• RQ5 TESLA-Nは、偏極および非偏極散乱、さらには実光子ビーム実験を含む多用途施設として機能可能か。粒子物理学と核物理学をつなぐ役割を果たせるか？

主な発見

• TESLA-N実験により、ヘリシティ（Δq）およびトランスバーシティ（δq）分布のxおよびQ²依存性の完全なマッピングが、画期的な精度で実現可能となる。
• トランスバーシティ分布およびテンソル荷重は、従来のプローブでは得られなかったQCDにおける手術的奇性オペレーターにアクセス可能な、画期的な精度で測定可能である。
• トランスバーシティ分布とヘリシティ分布のQ²進化を比較することで、QCDの予測の精度検証が可能となる。
• 提案された構成により、同等の実験と比較して光度が約2桁高いことが達成され、広範な運動量領域にわたる高統計的測定が可能となる。
• 3段階のスぺクトラメータ構成は、運動量分解能約0.5%および角度分解能約0.3 mradを達成し、大x領域においてQ²を数パーセントのレベルで分解可能である。
• 非偏極標的および実光子ビームの利用の実現可能性が確認され、実験の多様性が向上し、粒子物理学および核物理学への応用範囲が拡大される。