[論文レビュー] First Measurement of the Interference Fragmentation Function in $e^+e^-$ at Belle

A. Vossen, R. Seidl+4 more|ArXiv.org|Dec 2, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、Belleが取得した661 fb$^{-1}$のデータを用いて、$e^+e^-$衝突における二ハドロン干渉分岐関数（IFF）の最初の直接測定を提示している。π中間子対生成において、$\cos(\phi_1 + \phi_2)$の方位角モードが顕著に観測された。測定された非対称性は最大で10%に達し、軽いクォークに対する非ゼロのIFFを確認するとともに、SIDISおよびプロトン-プロトン衝突データと組み合わせることで、クォークの横スピン分布をモデルに依存しない方法で抽出するためのプローブを提供する。

ABSTRACT

A first measurement of the di-hadron interference fragmentation function of light quarks in pion pairs with the Belle detector is presented. The chiral odd nature of this fragmentation function allows the use as a quark polarimeter sensitive to the transverse polarization of the fragmenting quark. Therefore it can be used together with data taken at fixed target and collider experiments to extract the quark transversity distribution. A sample consisting of $711 imes 10^6$ di-hadron pairs was extracted from 661 $fb^{-1}$ of data recorded near the $Υ(4S)$ resonance delivered by the KEKB $e^+$$e^{-}$ collider.

研究の動機と目的

• Belle検出器を用いて、$e^+e^-$衝突における二ハドロン干渉分岐関数（IFF）を初めて測定すること。
• IFFデータとSIDISおよびプロトン-プロトン衝突の結果を組み合わせることで、クォークの横スピン分布関数をモデルに依存しない方法で抽出するためのプローブを提供すること。
• 横運動量に依存する（TMD）分岐モデルへの依存を減らすために、Sudakov抑制を回避する普遍的で共線型のIFFを用いること。
• 高エネルギー質量において、軽いクォークと charm クォークの両方がIFF非対称性に与える寄与を分離すること。
• 未極性化分岐関数の未来の抽出を可能にし、中性π中間子やK中間子などの他のハドロン最終状態におけるIFFの研究を促進すること。

提案手法

• $e^+e^-$衝突において$\Upsilon(4S)$共鳴状態近くで取得した661 fb$^{-1}$のデータをBelle検出器を用いて分析した。
• 干渉分岐関数は、イベント平面からのハドロン対平面の方位角モード$\cos(\phi_1 + \phi_2)$によって定義された。ここで$\phi_\alpha$は、各半球におけるベクトル$\mathbf{R}_\alpha = \mathbf{P}_{h1} - \mathbf{P}_{h2}$とイベント平面との間の角度である。
• $e^+e^-$消滅におけるクォークと反クォークの100%スピン相関を利用して、ビームまたは標的の極化を必要とせずにIFF信号を分離した。
• 運動量因子$B(y) = \sin^2\theta / (1 + \cos^2\theta)$を用いてクォークの横スピン極化を補正し、非対称性$a_{12}(y,z_1,z_2,m_1,m_2) \propto \cos(\phi_1 + \phi_2)$を測定した。
• $z_1, z_2$（ハドロンのエネルギー分率）および$m_1, m_2$（ハドロン対のインバリアント質量）のビニングを行い、$y$を統合することで運動量カットへの感受性を低減した。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、検出器効果の補正と、charm クォークおよび$B$中間子崩壊からの寄与を含む系統的不確実性を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二ハドロン干渉分岐関数の大きさと運動量依存性は$e^+e^-$衝突においてどのように変化するか？
• RQ2 一部のモデルが予測するように、$\rho$中間子質量を超えるインバリアント質量において、IFFに符号の反転または減少が見られるか？
• RQ3 高インバリアント質量領域において、charm クォークは観測された$\cos(\phi_1 + \phi_2)$非対称性にどの程度寄与しているか？
• RQ4 TMD分岐モデルやSudakov抑制に依存せずに、$e^+e^-$衝突においてIFFを直接測定できるか？
• RQ5 SIDISおよびプロトン-プロトン衝突からの結果と比較して、$e^+e^-$で測定されたIFFは、横スピン抽出にどの程度有効か？

主な発見

• 661 fb$^{-1}$のBelleデータを用いて、$e^+e^-$衝突におけるIFFの最初の直接測定が達成された。全ビンにわたる積分において、非対称性は$a_{12} = -0.0199 \pm 0.0002 \pm 0.0009$と測定された。
• 特定の$z$および$m$ビンにおいて、非対称性は最大で10%に達し、特に高い$z$値において顕著なIFF寄与が示された。
• インバリアント質量が$\rho$中間子質量を超える領域において、IFFに符号の反転は観測されず、代わりに非対称性がプラトー状態に達した。これは一部の一次近似モデルの予測と矛盾する。
• 高インバリアント質量領域において、charm クォークは非対称性に顕著な寄与を示し、charm識別サンプルでは非対称性が$-0.446 \pm 0.041$と測定され、軽いクォークの寄与と同程度の大きさであった。
• 測定された非対称性は、フィジカルカットや検出器効果に対して頑健であり、系統的不確実性は適切に制御されており、異なる解析設定間で一貫していた。
• 結果は、SIDISおよびプロトン-プロトン衝突データと組み合わせることで、IFFをクォークの横スピン分布関数を抽出するための普遍的かつモデルに依存しないツールとして使用できることを支持する。