[論文レビュー] Probing the transverse spin of quarks in deep inelastic scattering

Alessandro Bacchetta|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 159被引用数 14

ひとこと要約

本学位論文は、深エネルギーシンチラレーション散乱における横スピンに依存する非対称性を分析することで、クォークの横スピン分布を調べるための形式的枠組みを開発する。特に、2ハドロンの分岐関数における $p$-波および $s$-$p$ 干渉項の寄与を区別する。相関関数形式とスピン行列形式の間の関係を確立し、正値性の上限を導出し、単一スピン非対称性から横スピンを抽出するためのフレームワークを提供する。今後の $e^+e^-$ annihilations および Drell-Yan 測定に影響を与える。

ABSTRACT

To identify some way to measure the quark transversity, this thesis analyzes one-particle and two-particle inclusive deep inelastic scattering, where one and two of the outgoing hadrons are detected in coincidence with the electron. It is shown that transversity can be measured in the above processes, in connection with three different fragmentation functions: the first one requires the observation of an unpolarized final state hadron with transverse momentum (Collins function), the second requires the observation of the interference between the s- and p-wave production of two hadrons, the third requires the observation of pure p-wave two-hadron production, or equivalently of a spin-one resonance. All these fragmentation functions fall in the category of T-odd fragmentation functions: they require the presence of final state interactions, or else they are forbidden by time-reversal invariance. The last part of the thesis looks at the possibility of modeling this kind of fragmentation functions and investigates whether they can be large enough to allow the extraction of transversity.

研究の動機と目的

• 深エネルギーシンチラレーション散乱におけるスピン非対称性を通じて、ヌクレオン内のクォークの横スピン構造を調べるための形式的枠組みを開発すること。
• 単一横スピン非対称性における $p$-波および $s$-$p$ 干渉項の寄与を区別すること。これは横スピン分布関数に敏感である。
• 部分的分布関数および分岐関数のための相関関数形式とスピン行列アプローチの間の関係を確立すること。
• モデル計算の整合性チェックとしての横スピンおよびスピン1分岐関数の正値性の上限を導出すること。
• 将来の $e^+e^-$ annihilations および Drell-Yan 反応における2ハドロン分岐関数の測定を想定し、横スピンを独立に抽出するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 高エネルギー過程におけるクォークおよびハドロンのスピノル構造を記述するため、ライトコーン正準化とディラック行列のウェイル表現を用いる。
• 部分的スピン依存分布関数および分岐関数を1次ツイストで記述するため、相関関数およびスピン行列の形式的枠組みを適用する。
• スピン1分岐関数を導入し、それらが純粋な $p$-波2ハドロン分岐関数とほぼ同一であることを示すが、不変質量依存性が欠落している点を除いて。
• 部分的スピン横運動量を含む、スピン1レプトプロダクションの完全な1次オーダー微分断面積を導出する。
• チャーミカルクォークモデルにおける1ループ計算を実行し、$s$-$p$ 干渉および $p$-波寄与を推定する。
• 結果を既存のモデルと比較し、共鳴を伴わない非一貫的2パイオン生成における1ループ補正の重要性を議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 深エネルギーシンチラレーション散乱において、単一横スピン非対称性における $p$-波寄与を $s$-$p$ 干渉から分離し、区別することは可能か？
• RQ2 スピン1分岐関数は横スピンを調べる上で果たす役割は何か？ また、純粋な $p$-波2ハドロン分岐関数とどのように関係しているか？
• RQ3 横運動量を伴う部分的関数に対して、スピン行列形式を相関関数アプローチに体系的に接続することは可能か？
• RQ4 横スピンおよびスピン1分岐関数の正値性の上限は何か？ そして、モデル計算を制約するにはどう利用できるか？
• RQ5 チャーミカルクォークモデルにおける1ループ補正は、2ハドロン分岐における $s$-$p$ 干渉と純粋な $p$-波寄与の相対的重要性にどのように影響するか？

主な発見

• 単一横スピン非対称性における $p$-波寄与は、角度積分を行っても消えず、特にスピン1共鳴が存在する場合には $s$-$p$ 干渉を上回る寄与を示す可能性がある。
• スピン1分岐関数は、不変質量依存性を除き、純粋な $p$-波2ハドロン分岐関数とほぼ完全に一致することが示された。
• スピン1レプトプロダクションの完全な1次オーダー断面積が導出され、部分的スピン横運動量および完全なスピン構造を含む。
• すべての検討された分布関数および分岐関数に対して正値性の上限が導出され、モデルベースの推定値の整合性チェックとして有効である。
• 1ループモデル計算により、共鳴が存在しない場合でも $p$-波寄与が顕著に残ることが示された。特に $\rho^0$-媒介の $\to \rho^0 \to \rho^0$ と続く崩壊系列において顕著である。
• この形式的枠組みにより、T-奇分岐関数を一貫して推定するためのフレームワークが得られ、将来の $e^+e^-$ annihilations における2ハドロンペア生成から横スピンを独立に抽出する支援が可能となる。