[論文レビュー] First observation of correlations between spin and transverse momenta in back-to-back dihadron production at CLAS12

H. Avakian, T. B. Hayward+154 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、ジェファーソンラボのCLAS12スペクトロメータを用いて、深く非弾性散乱によるバックツーバック二発粒子生成におけるスピン-横運動量相関の初観測を報告している。偏光した縦スピン電子を非偏光プロトン標的に入射させ、ep → e′pπ⁺X 事象における非ゼロのビームスピン非対称性を測定した。これにより、二発粒子生成における一次的位相のスピンおよび横運動量に依存する断片化関数への実験的アクセスが初めて得られた。

ABSTRACT

We report the first measurements of deep inelastic scattering spin-dependent azimuthal asymmetries in back-to-back dihadron electroproduction, where two hadrons are produced in opposite hemispheres along the z-axis in the center-of-mass frame, with the first hadron produced in the current-fragmentation region and the second in the target-fragmentation region. The data were taken with longitudinally polarized electron beams of 10.2 and 10.6 GeV incident on an unpolarized liquid-hydrogen target using the CLAS12 spectrometer at Jefferson Lab. Observed non-zero $\sin\Delta\phi$ modulations in $ep ightarrow e'p\pi^+X$ events, where $\Delta\phi$ is the difference of the azimuthal angles of the proton and pion in the virtual photon and target nucleon center-of-mass frame, indicate that correlations between the spin and transverse momenta of hadrons produced in the target- and current-fragmentation regions may be significant. The measured beam-spin asymmetries provide a first access in dihadron production to a previously unobserved leading-twist spin- and transverse-momentum-dependent fracture function. The fracture functions describe the hadronization of the target remnant after the hard scattering of a virtual photon off a quark in the target particle and provide a new avenue for studying nucleonic structure and hadronization.

研究の動機と目的

• 深い非弾性散乱における二発粒子生成を通じて、核子のスピンおよび横運動量構造を調べること。
• ハドロン化において以前観測されていなかった一次的位相のスピンおよび横運動量に依存する断片化関数にアクセスすること。
• バックツーバック二発粒子事象におけるビームスピン非対称性を測定し、衝突したクォークのスピンと最終状態ハドロンの横運動量の間の相関を明らかにすること。
• SIDISにおける標的残渣断片化過程を研究するための新しい実験的枠組みを確立すること。

提案手法

• 10.2および10.6 GeVの縦スピン偏光電子ビームを非偏光液体水素標的に入射させた。
• 系の中心系フレームにおいてバックツーバック二発粒子生成を測定し、一方のハドロンを現在断片化領域（CFR）に、もう一方を標的断片化領域（TFR）に位置づけた。
• 仮想光子-核子中心系フレームにおける陽子とパイオンの方位角差（∆φ）を分析し、スピンに依存する非対称性を抽出した。
• データを断片化関数の観点から解釈するために、横運動量に依存する（TMD）因子化フレームワークを適用した。
• CLAS12スペクトロメータを用いて最終状態粒子を再構築し、運動量変数を高い精度で測定した。
• イベントごとのアンフォールディングおよび運動量再構築を実施し、TFRおよびCFRにおけるスピン非対称性を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 深い非弾性散乱における二発粒子生成において、スピン-横運動量相関を観測できるか？
• RQ2 バックツーバック二発粒子事象におけるビームスピン非対称性は、一次的位相の断片化関数の存在を示唆するか？
• RQ3 スピンに依存する方位角非対称性を通じて、標的残渣のハドロン化過程における役割は何か？
• RQ4 観測された非対称性は、衝突したクォークのスピンとTFRおよびCFRにおけるハドロンの横運動量の間の相関によって説明可能か？

主な発見

• ep → e′pπ⁺X 事象におけるビームスピン非対称性において、非ゼロのsin∆φモードが観測され、顕著なスピン-横運動量相関が示された。
• 測定された非対称性は、二発粒子生成における一次的位相のスピンおよび横運動量に依存する断片化関数への実験的証拠を初めて提供した。
• 非対称性は、衝突クォークのスピンとTFRおよびCFRにおけるハドロンの方位角の相関を含む理論的予測と整合的であった。
• データは、標的残渣断片化過程が衝突クォークのスピンおよび横運動量に敏感である可能性を示唆している。
• 本結果により、単一ハドロンSIDISを超える核子構造およびハドロン化ダイナミクスを調べるための新たなチャネルが開かれた。
• 将来の重水素標的および偏光標的を用いた測定により、断片化関数の普遍的およびフレーバー依存の構造への完全なアクセスが可能になる。