[論文レビュー] Hard Collisions of Spinning Protons - History and Future

A. D. Krisch|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2010

Computational Physics and Python Applications参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、高エネルギー陽子-陽子弾性散乱の歴史と将来をレビューし、偏極陽子衝突における説明のつかない大きな横方向スピン効果に焦点を当てる。現在、高エネルギーで持続するスピン効果を説明できないQCDに基づくモデルの修正を促すために、ロシアのIHEP-プロトヴィノの70 GeV U-70および日本のJ-PARCで新たな実験を提案する。その目的は、高 $P_t^2$ におけるスピン非対称性 $A_n$ および $A_{nn}$ を測定し、これにより理論の修正を促進することである。

ABSTRACT

There will be a review of the history of polarized proton beams, and a discussion of the unexpected and still unexplained large transverse spin effects found in several high energy proton-proton spin experiments at the ZGS, AGS, Fermilab and RHIC. Next there will be a discussion of possible future experiments on the violent collisions elastic collisions of polarized protons at the 70 GeV U-70 accelerator at IHEP-Protvino in Russia and the new high intensity 50 GeV J-PARC at Tokai in Japan.

研究の動機と目的

• 偏極陽子ビームの歴史的発展と、高エネルギー陽子-陽子散乱における予期しないスピン依存効果を解明する役割をレビューすること。
• QCD予測と実験データとの間の継続的な不一致、特に高 $P_t^2$ およびエネルギー領域におけるスピン非対称性 $A_n$ および $A_{nn}$ の不一致を強調すること。
• ロシアの70 GeV U-70加速器および日本の50 GeV J-PARCで、ハード散乱領域における弾性散乱およびスピン非対称性を測定する高精度の新規実験を提唱すること。
• 再現可能なデータと矛盾する理論は、見直されなければならないという原則に基づき、強い相互作用の理論の修正に実験的指針を与えること。
• 微小ピークおよび光学モデルの重要性を再確立し、陽子構造およびスピン依存ダイナミクスの理解に寄与すること。

提案手法

• ZGS（5–12 GeV）からCERN ISR（2800 GeV²）にかけての歴史的データから導かれたスケーリングされた $P_t^2$ 変数に対する陽子-陽子弾性断面積の分析。
• 微小ピークの勾配（約10 (GeV/c)⁻²）のフーリエ変換により、およそ1ファーミのガウス的相互作用半径を推定する。
• 断面積を三つの成分に分離する：小 $P_t^2$ の微小散乱（ガウス的半径 ~1 fm）、中 $P_t^2$ の成分（勾配 ~3 (GeV/c)⁻²）、大 $P_t^2$ のハード散乱（勾配 ~1.5 (GeV/c)⁻²）。
• 弾性散乱におけるスピンエンタングルド初期状態を用いて、スピン依存断面積 $\sigma_{\uparrow\uparrow}$ および $\sigma_{\uparrow\downarrow}$ を測定し、スピン非対称性 $A_{nn}$ および $A_n$ を抽出する。
• フェルミラブおよびRHICのデータを用いて、包含的パイオン生成における実験的スピン非対称性 $A_n$ をQCD予測と比較する。
• IHEP-プロトヴィノのSPIN@U-70実験を提唱する。12テスラの超冷却スピン偏極ジェットと偏極陽子標的に基づき、$P_t^2 \sim 12$ (GeV/c)⁻² における $A_n$ を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ高 $P_t^2$ および高エネルギー領域において、QCD予測とは対照的に、大きな横方向スピン効果が陽子-陽子散乱に持続するのか？
• RQ2 勾配が約3 (GeV/c)⁻² の中 $P_t^2$ の成分の起源は何か？これはテルアスエネルギーで消える。
• RQ3 勾配が約1.5 (GeV/c)⁻² の大 $P_t^2$ の成分は、微小ピークと破壊的干渉を示し、ほとんど虚数的である。その理由は何か？
• RQ4 米露PUoAE協定の停止にもかかわらず、IHEP-プロトヴィノのSPIN@U-70実験は $P_t^2 \sim 12$ (GeV/c)⁻² における $A_n$ および $A_{nn}$ を測定可能か？
• RQ5 50 GeVの高強度偏極ビームを備えたJ-PARCで同様の実験が行われれば、数十年来のハード弾性スピン効果に関する新規データを初めて得られるか？

主な発見

• 小 $P_t^2$ の微小散乱ピークは勾配 ~10 (GeV/c)⁻² を示し、これは光学モデルに整合する約1ファーミのガウス的相互作用半径に対応する。
• 中 $P_t^2$ の成分（勾配 ~3 (GeV/c)⁻²）はテルアスエネルギーで消え、陽子の直接的弾性散乱に起因し、実数の振幅を持つ可能性が高い。
• 大 $P_t^2$ の成分（勾配 ~1.5 (GeV/c)⁻²）は半径約0.3ファーミであり、ほとんど虚数的であるため、主に微小散乱的であるとされ、陽子構成粒子の直接的相互作用に起因する可能性が高い。
• 12 GeVにおける微小散乱ピークでは、スピン平行およびスピン反平行断面積はほぼ等しく、ソフト散乱領域では顕著なスピン依存性がないことを示している。
• フェルミラブおよびRHICの包含的パイオン生成に関するデータは、$\pi^+$ および $\pi^-$ に対して $A_n$ が逆符号の大きな値を示し、$\pi^0$ に対してはやや正の小さい $A_n$ を示すが、QCD予測とは矛盾している。
• SPIN@U-70実験は2002年3月までにIHEP-プロトヴィノに完全に設置されたが、米露PUoAE協定の停止のため、検出器の輸出が8か月間差し止められ、実験が遅延した。