[論文レビュー] Exclusive Production of Neutral Vector Mesons at the Electron-Proton Collider HERA

J. Crittenden|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 1997

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 38

ひとこと要約

本論文は、HERAにおける電子-陽子衝突における排他的中性ベクトルメソン生成について、H1およびZEUS実験の高精度データを用いて包括的な分析を提示する。ρ⁰、ω、φ、J/ψ生成のエネルギーおよび仮想性依存性を検討し、J/ψ生成がハード散乱スケーリングに従うのに対し、軽いメソンはソフト相互作用スケーリングを示すことが明らかになった。また、高運動量移転領域でスピンの反転が観測され、光子-陽子相互作用におけるソフトおよびハードダイナミクスの遷移を示唆している。

ABSTRACT

The first five years of operation of the multi-purpose experiments ZEUS and H1 at the electron-proton storage ring facility HERA have opened a new era in the study of vector-meson production in high-energy photon-proton interactions. The high center-of-mass energy available at this unique accelerator complex allows investigations in hitherto unexplored kinematic regions, providing answers to long-standing questions concerning the energy-dependence of the rho, omega, phi, and J/psi production cross sections. The excellent angular acceptance of these detectors, combined with that of specialized tagging detectors at small production angles, has permitted measurements of elastic and inelastic production processes for both quasi-real photons and those of virtuality exceeding the squared mass of the vector meson. This report provides a quantitative picture of the present status of these studies, comparing them to the extensive measurements in this field at lower energies and summarizing topical developments in theoretical work motivated by the new data.

研究の動機と目的

• HERAにおける高エネルギー光子-陽子衝突における排他的ベクトルメソン生成のエネルギーおよび仮想性依存性を調査すること。
• ベクトルメソン生成がソフトまたはハード量子色力学（QCD）過程に特徴的なスケーリング則に従うかどうかを特定すること。
• 光子の仮想性および運動量移転の測定を通じて、ソフトおよびハード相互作用の遷移領域を調べること。
• 陽子の崩壊とスピン構造がベクトルメソン生成メカニズムに与える影響を検討すること。
• 仮想光子およびベクトルメソンの波動関数構造に関する理論的モデルのベンチマークを提供すること。

提案手法

• HERA電子-陽子衝突加速器におけるH1およびZEUS検出器のデータを用い、高光度状態での5年間の運用をカバーする。
• ρ⁰、ω、φ、J/ψメソンの排他的生成断面積を、弾性および非弾性（陽子崩壊）チャンネルで測定した。
• 小角度最終状態を再構築し、陽子頂点における運動量移転|t|を測定するために、特別なタギング検出器を用いた。
• スピン依存性振幅を調べ、高Q²でのρ⁰生成におけるsチャネルスピンの保存をテストするためのスピン状態分析を実施した。
• 微小摂動的QCDおよび非摂動的レッジに基づく理論的アプローチと、実験結果を比較した。
• 光子の仮想性Q²およびベクトルメソンの質量の変化を用いて、光子およびベクトルメソンの波動関数の時空的構造を調べた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子-陽子衝突におけるベクトルメソン生成断面積は、光子の仮想性Q²および中心系エネルギーの関数としてどのように変化するか？
• RQ2 光子-陽子相互作用におけるベクトルメソン生成メカニズムは、ソフトまたはハードQCD過程のスケーリング則に従うか？
• RQ3 特に高運動量移転|t|領域において、sチャネルスピンの保存はどの程度有効であるか？
• RQ4 陽子の崩壊過程は、ベクトルメソン生成の運動量およびスピン構造にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ベクトルメソン生成比および仮想光子の構造は、フレーバー非対称性および仮想光子の波動関数にどのような洞察を提供するか？

主な発見

• J/ψ生成断面積は、微小摂動的QCDに一致するエネルギー依存性を示し、ハード散乱メカニズムを示唆している。
• 軽いベクトルメソン（ρ⁰、ω、φ）は、ソフト相互作用に特徴的なスケーリングを示し、断面積はs⁻⁰.⁵に比例し、レッジ理論と整合的である。
• 高Q² > 7 GeV²領域では、ρ⁰生成のtスロープは、完全に弾性過程の半分程度にとどまり、より広がった空間的分布を示唆している。
• 低|t|領域のスピン状態分析では、sチャネルスピンの保存が破れていないことが確認され、生成と陽子崩壊のメカニズムが独立している可能性を示している。
• 高|t| > 0.5 GeV²領域での予備的スピン状態分析では、sチャネルスピンの保存が破れている兆候が観測され、より複雑なダイナミクスへの移行を示唆している。
• ベクトルメソン生成比から、光子の仮想性が増加するに従い、フレーバー非対称性が減少することが示され、仮想光子のクォーク内容の変化を反映している。