[論文レビュー] Impact of Recent RHIC Data on Helicity-Dependent Parton Distribution Functions

Emanuele R. Nocera|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、NNPDFpol1.1のグローバルフィットをベイジアンリウェイトリングすることで、最近のRHICデータを再分析し、スピン依存する部分子分布関数（PDF）を精緻化する。その結果、$ x \sim 0.1\text{--}0.2 $ の領域で偏極グルーオンPDFの中央値が約30%増加し、$ \Delta\bar{u} $ の不確実性が約25%低減され、$ \Delta\bar{u} $ と $ \Delta\bar{d} $ の間に顕著な非対称性が強調された。これは、RHICが陽子スピン構造を解明する上で果たす重要な役割を裏付けるものである。

ABSTRACT

I study the impact of recent measurements performed at the Relativistic Heavy Ion Collider on the determination of helicity-dependent parton distribution functions of the proton. Specifically, I consider: preliminary data on longitudinally single-spin asymmetries for $W$-boson production recorded by the STAR experiment during the 2013 run at a center-of-mass energy $\sqrt{s}=510$ GeV; data on longitudinally double-spin asymmetries for di-jet production recorded by the STAR experiment during the 2009 run at $\sqrt{s}=200$ GeV; and data on longitudinally double-spin asymmetries for neutral pion production recorded by the PHENIX experiment during a series of runs between 2006 and 2013 at $\sqrt{s}=200$ GeV and $\sqrt{s}=510$ GeV. The impact of the new data is studied by applying Bayesian reweighting to NNPDFpol1.1, the most recent global analysis of helicity-dependent parton distribution functions based on the NNDPF methodology. In comparsion to NNDPFpol1.1, a slightly more positive polarized gluon PDF, extended to somewhat smaller values of momentum fractions with narrower uncertainties, as well as a slightly more marked and more precise asymmetry between polarized up and down sea quarks are found in this study.

研究の動機と目的

• 新しいRHIC測定結果がスピン依存する部分子分布関数（PDF）の決定に与える影響を評価すること。
• 最近の実験データを用いて、グルーオンおよび海クォークの偏極PDFの精度と信頼性を向上させること。
• STARおよびPHENIX実験からの新しいデータがNNPDFpol1.1グローバルフィットをどのように精緻化するかを評価すること。
• リウェイトリング後の $ \Delta g $、$ \Delta\bar{u} $、$ \Delta\bar{d} $ の中央値および不確実性の変化を定量化すること。
• 実験的不確実性の整合性を検証し、システムティックエラーの過大評価の可能性を評価すること。

提案手法

• 新しいRHICデータを組み込むために、元のPDFパラメータ化および手法を保持したまま、NNPDFpol1.1グローバルフィットにベイジアンリウェイトリングを適用する。
• 整合性のある量子色力学（QCD）の摂動的進化を保証するため、尤度比を用いてPDFの重みを更新する手法を採用する。
• 3つの主要なデータセットを含める：STARによる$ W $ボソン生成の非対称性（2013年、$ \sqrt{s} = 510 $ GeV）、STARによる二ジェット非対称性（2009年、$ \sqrt{s} = 200 $ GeV）、PHENIXによる中性パイオン非対称性（2006–2013年、$ \sqrt{s} = 200 $および510 GeV）。
• リウェイトリングプロセスでは、データの一貫性と不確実性の信頼性を評価するための有効な $ \alpha $ 要因を評価し、パイオンデータにおけるシステムティックエラーの過大評価の可能性を同定する。
• リウェイトリング前の後での統合スピン寄与を評価するため、$ x \in [0.01, 0.2] $ 範囲におけるPDFの一次モーメントを計算する。
• 不確実性は伝搬され、PDFプロットにおける1シグマ帯として可視化され、インセットには不確実性の推移が示される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最近のRHICによる$ W $ボソン、二ジェット、中性パイオン生成の非対称性測定は、偏極グルーオンおよび海クォークPDFの決定にどのように影響を与えるか？
• RQ2 新しいデータは、$ \Delta g $、$ \Delta\bar{u} $、$ \Delta\bar{d} $ の中央値をどの程度シフトさせ、不確実性をどの程度低減するか？
• RQ3 中性パイオンおよび二ジェットデータにおける実験的不確実性は理論的予測と整合しているか、それとも過大評価されているか？
• RQ4 新しいデータは、$ x \in [0.01, 0.2] $ 範囲における陽子の統合スピン含量にどのような影響を与えるか？
• RQ5 $ W $ボソンデータの組み込みは、偏極クォークおよび反クォークPDFのフレーバー分離をどの程度改善するか？

主な発見

• 新しいデータによるリウェイトリング後、$ 0.1 \lesssim x \lesssim 0.2 $ の領域で偏極グルーオンPDF $ \Delta g $ の中央値が約30%増加した。
• $ \Delta\bar{u} $ の不確実性は約25%低減され、上部海クォークの偏極の精度が著しく向上した。
• 同じ$ x $領域において、$ \Delta\bar{d} $ の中央値は約10%低下し、$ \Delta\bar{u} $ と $ \Delta\bar{d} $ の間の非対称性がより顕著になった。
• 範囲 $ [0.01, 0.2] $ における $ \Delta g $ の一次モーメントは、$ 0.23 \pm 0.23 $ から $ 0.32 \pm 0.21 $ に増加し、グルーオンの偏極寄与がより正になったことを示した。
• $ \Delta\bar{u} $ の一次モーメントは $ 0.01 \pm 0.04 $ から $ 0.02 \pm 0.03 $ に増加し、$ \Delta\bar{d} $ は $ -0.04 \pm 0.04 $ から $ -0.05 \pm 0.03 $ にシフトし、海クォーク構造のより顕著な非対称性を確認した。
• データは、中性パイオン生成測定の不確実性が過大評価されている可能性を示唆しており、$ \langle\alpha\rangle < 1 $ であることが根拠となり、システムティック相関情報の不完全さが原因である可能性がある。