[論文レビュー] Physics case for a polarised target for AFTER@LHC

Jean-Philippe Lansberg, M. Anselmino+28 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、LHC固定標的実験AFTER@LHCにおいて偏光標的を用いることで、Drell-Yan、ジェット、パイオン、クォーカー状態生成における単一横断スピン非対称性（STSAs）の高精度測定を可能にする提案を行う。この装置配置により、グルーオンのSivers効果への最初の直接的アクセスが可能となり、高光度LHCビームと$2 < y_{\rm Lab} < 5$の最適化された検出器カバレッジを活用して、大$ x^\uparrow $領域におけるクォークSivers関数の符号変化の重要な検証が可能になる。主な貢献は、AFTER@LHCにおける専用スピン物理学計画の包括的で説得力のある物理学的根拠の構築である。

ABSTRACT

We review a number of ideas put forward in favour of the use of a polarised target along with the proposed idea of a fixed-target experiment using the LHC beams -- AFTER@LHC. A number of recent studies have shown that single transverse-spin asymmetries (STSAs) are large enough to be precisely measured in the region accessible with AFTER@LHC, in particular as regards the Drell-Yan process as well as single-pion, isolated-photon and jet production. AFTER@LHC with a polarised target would also be the ideal experimental set-up to measure the gluon Sivers effect via a number of original quarkonium STSA studies. We discuss first figures-of-merit based on simulations for AFTER@LHC with a polarised target.

研究の動機と目的

• AFTER@LHC固定標的実験に偏光標的を導入するための説得力のある物理学的根拠を確立すること。
• 横運動量に依存する部分素粒子分布（TMD）分布に敏感な過程における単一横断スピン非対称性（STSAs）の高精度測定を可能にすること。
• 大$ x^\uparrow $領域におけるクォークSivers関数を測定し、半包含的深エネルギーカットインリンギング散乱（SIDIS）との相対的な符号変化を検証すること。
• クォーカー状態のSTSAs測定を通じてグルーオンのSivers効果にアクセスし、 nucleon スピン分解における重要な欠落要因を解消すること。
• 初期状態および最終状態相互作用、およびQCDにおける因子化破れダイナミクスを研究するための、ユニークで高光度なプラットフォームを提供すること。

提案手法

• LHCビームを固定標的モードで使用し、実験フレームと重心系フレーム間の大きなブーストを活用して高$ x^\uparrow $領域にアクセスすること。
• 曲げ結晶を用いたビーム抽出により、LHCビームのわずかな割合を偏光標的と清浄でコリメートされた衝突に導くこと。
• 内部偏光ガス標的を、曲げ結晶の代替手段として採用し、スピン物理学に適した高い偏光度と光度を実現すること。
• Drell-Yan、$J/\psi$、$\Upsilon$、孤立光子、ジェットの各過程について、現実的な検出器透過率とバックグラウンドモデルを用いて、イベント収率およびSTSAsの指標をシミュレーションすること。
• 組み合わせ的バックグラウンド削減技術と頂点再構成を用いて、ハイフリーバー荷重の寄与を分離し、それらのSTSAsを測定すること。
• $J/\psi$対生成のような$ k_T $依存の観測量における微分非対称性を分析することで、グルーオンのTMDおよびグルーオンのSivers関数にアクセスすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AFTER@LHCに偏光標的を搭載した場合、十分な精度で大$ x^\uparrow $領域におけるクォークSivers関数を測定し、予測された符号変化を検証できるか？
• RQ2 現在、直接的な実験的アクセスが欠落している状況を踏まえ、$J/\psi$および$\Upsilon$生成におけるSTSAsがグルーオンSivers関数をどの程度制限できるか？
• RQ3 現実的な光度および偏光条件のもとで、Drell-Yan、孤立光子、およびジェット生成におけるSTSAsの予想される指標は、どのように比較されるか？
• RQ4 遠く後方領域における$J/\psi$対生成は、$k_T$依存の非対称性を通じてグルーオンSivers効果をクリアにプローブできるか？
• RQ5 二粒子ハドロンまたは二光子最終状態におけるSTSAsの測定は、Sivers効果を超えたtwist-3相関関数およびTMDをアクセスするための実現可能性があるか？

主な発見

• $A_N^{J/\psi} \approx 0.025$の$J/\psi$生成におけるSTSAs測定は、$2 < y_{\rm Lab} < 5$の範囲で十分な精度で達成可能であり、誤差は提案された装置の範囲内に収まる見込みである。
• Drell-YanのSTSAsは、高$Q^2$（大$ x^\uparrow $）領域で大きく、測定可能であり、クォークSivers関数の符号変化を検証するためのユニークなテストケースを提供する。
• $J/\psi + J/\psi$生成の収率は十分に大きく、微分$ k_T $依存のSTSAs測定が可能であり、グルーオンのSivers関数への直接的アクセスが可能となる。
• ミュオン連続体中のハイフリーバー荷重バックグラウンドは、頂点検出器を用いてずれた頂点を分離することで低減可能であり、charmおよびbeauty成分の個別なSTSAs研究が可能になる。
• 高光度と$ y_{\rm Lab} \approx 2 $から$ 5 $までの検出器カバレッジの組み合わせにより、複数の過程におけるSTSAsが高信頼性で測定可能となる。
• HERMESタイプの偏光標的の使用は、スピン物理学における偏光度と光度の観点で、現在稼働中または計画中のすべての実験を上回ると予想される。