[論文レビュー] Partonic Structure of Light Nuclei

W. Armstrong, J. Arrington+46 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2017

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 34被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、CLAS12検出器と新規の低エネルギー反動粒子トラッカー（ALERT）を用いて、4He核の一部粒子的構造の高精度な研究を提案している。コherentな深エネルギーゲージ変換散乱（DVCS）と排他的$φ$メソン電磁生産を用い、広い運動量領域においてビームスピン非対称性と微分断面積を測定することで、クォークおよびグルーオンのモデルに依存しない横方向空間分布を抽出し、密度の高い軽い核においてクォークとグルーオンの半径を直接比較する初の試みが可能となる。

ABSTRACT

We propose to study the partonic structure of $^4$He by measuring the Beam Spin Asymmetry (BSA) in coherent Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS) and the differential cross-section of the Deeply Virtual Meson Production (DVMP) of the $ϕ$. Despite its simple structure, a light nucleus such as $^4$He has a density and a binding energy comparable to that of heavier nuclei. Therefore, by studying $^4$He nucleus, one can learn typical features of the partonic structure of atomic nuclei. The combination of CLAS12 and the ALERT detector provides a unique opportunity to study both the quark and gluon structure of a dense light nucleus. Coherent exclusive DVCS off $^4$He will probe the transverse spatial distribution of quarks in the nucleus as a function of the quarks' longitudinal momentum fraction, $x$. In parallel, the average spatial transverse gluon density of the $^4$He nucleus will be extracted within a GPD framework using the measured longitudinal cross-section for coherent $ϕ$ production in a similar range of $x$. Additionally, threshold effects of $ϕ$ production can be explored by exploiting the ALERT detector's large acceptance for low $|t|$ events.

研究の動機と目的

• コherent排他的DVCSおよび$φ$メソン電磁生産を用いて、4He核の最初のモデルに依存しない3次元トモグラフィーを実施すること。
• コンプトン形式因子（CFFs）の実部および虚部を抽出することで、4Heにおけるクォークおよびグルーオンの横方向空間分布を測定すること。
• 排他的なコherent DVCSおよび$φ$生産の測定を通じて、密度の高い軽い核におけるクォークとグルーオンの半径を比較すること。
• 反跳核をタグ付けし、核子の非殻状態度に応じたEMC比を測定することで、束縛核子における物質効果を研究すること。
• 4Heおよびデュテリウムにおける非一様なそばがらタグ付きDVCSを用いて、一般化部分子分布（GPDs）における核効果を分離すること。

提案手法

• 低運動量の反跳核を検出し、排他的な最終状態を再構成するために、ステレオドリフトチェンバーおよびシンチレーションアレイを備えたALERTを含むCLAS12検出器を用いる。
• 3 atmの気体状4Heおよびデュテリウム標的に、11 GeVの縦偏光電子ビーム（80%偏光、最大1000 nA）を照射し、最大$6 \times 10^{34}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$のランプ密度を達成する。
• コherent DVCSにおけるビームスピン非対称性（BSA）および$K^+K^-$および$K^0_S K^0_L$崩壊チャンネルを通じた排他的$φ$メソン電磁生産の微分断面積を測定する。
• 完全排他的な運動量の測定を用いて一般化部分子分布（GPDs）にアクセスし、角度分布へのフィットを通じて4Heのコンプトン形式因子$H_A$の実部および虚部を抽出する。
• 予測の妥当性を確認するため、シミュレートされたベーテ＝ハイゼンベルク（BH）イベントを用いて、使用されたパラメータ化された断面積および統計的不確実性の妥当性を検証する。
• $x_B$、$Q^2$、および$-t$における運動量領域のビニングを実施し、CFFsを抽出し、影響パラメータ空間（$b_\perp$）における部分子密度プロファイルを再構成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンプトン形式因子$H_A$の実部および虚部から抽出された4He核内クォークの横方向空間分布は何か？
• RQ2 4Heにおけるクォークとグルーオンの半径はどのように比較できるか。また、排他的$φ$メソン電磁生産はグルーオン構造の直接測定を可能にするか？
• RQ3 核子の非殻状態度に依存するEMC比の依存性から、物質効果が束縛核子の部分粒子的構造にどの程度影響を与えるかは？
• RQ4 4Heおよびデュテリウムにおける非一様なそばがらタグ付きDVCSは、核効果と単一核子GPDsをどのように分離できるか？
• RQ5 影響パラメータ空間における再構成された部分子密度プロファイルの精度は何か。また、これはどの程度運動量変数に依存するか？

主な発見

• コherent DVCSにおけるビームスピン非対称性から、モデルに依存しない方法で4Heのコンプトン形式因子$H_A$の実部および虚部が抽出される。
• 排他的なコherent $φ$メソン電磁生産の微分断面積が、4Heに対して初めて測定され、$|t| \leq 0.6$ GeV$^2$の範囲をカバーし、最初の微分的最小値も含む。
• $H_A$の虚部に対する予測された統計的不確実性は、影響パラメータ空間（$b_\perp$）におけるクォーク密度プロファイルの高精度な再構成を可能にする。
• ALERT検出器は、排他的過程をタグ付けする上で、バックグラウンドの効率的排除および低物質バジェットでの低エネルギー反跳核検出を可能にする見込まれる。
• 純粋なベーテ＝ハイゼンベルク（BH）イベントを用いたシミュレーションにより、予測に使用されたパラメータ化された断面積が妥当であり、期待される統計的不確実性を再現することが確認された。
• ビームスピン非対称性$A_{LU}(90^\circ)$は、$-t$範囲全域で10%未満の精度に達することが予測され、CLAS-eg6およびHERMESの以前の測定を上回る。