[論文レビュー] SIDIS transverse spin azimuthal asymmetries at COMPASS: Multidimensional analysis

B. Parsamyan|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、CERNのCOMPASS実験から得られたデータを用いて、半包含的深エネルギー非弾性散乱（SIDIS）における横スピン方位対称性の最初の多次元的分析を提示する。Sivers、Collins、その他の横スピン分布のx-, z-, Q²-, およびpT依存の非対称性を抽出した。主な結果は、横運動量に依存する（TMD）部分子分布関数（PDF）のQ²進化を直接テストする、前例のない入力であり、Sivers効果におけるQ²依存性の最初の証拠と、A_UT^{sin(ϕ_S)}およびA_LT^{cos(ϕ_h−ϕ_S)}の非ゼロ信号を示すが、他の非対称性はゼロと整合的である。

ABSTRACT

Exploration of transverse spin structure of the nucleon via study of the spin (in)dependent azimuthal asymmetries in semi-inclusive deep inelastic scattering (SIDIS) and Drell-Yan (DY) reactions is one of the main aspects of the broad physics program of the COMPASS experiment (CERN, Switzerland). In past decade COMPASS has collected a considerable amount of polarized deuteron and proton SIDIS data, while recent 2014 and 2015 runs were dedicated to the Drell-Yan measurements. Results on SIDIS azimuthal effects provided so far by COMPASS play an important role in general understanding of the three-dimensional nature of the nucleon. Giving access to the entire "twist-2" set of transverse momentum dependent (TMD) parton distribution functions (PDFs) and fragmentation functions (FFs) COMPASS data are being widely used in phenomenological analyses and experimental data fits. Recent unique and first ever x-$Q^{2}$-z-pT multidimensional results for transverse spin asymmetries obtained by COMPASS serve as a direct and unprecedented input for one of the hottest topics in the field of spin-physics: the TMD $Q^{2}$-evolution related studies. In addition, extraction of the Sivers and all other azimuthal effects from first ever polarized Drell-Yan data collected recently by COMPASS will reveal another side of the spin-puzzle clarifying the link between SIDIS and Drell-Yan branches. This will be a unique possibility to test predicted universality and key-features of TMD PDFs using essentially the same experimental setup and exploring the same kinematical domain. In this review main focus will be given to the very recent results from COMPASS multi-dimensional analysis of transverse spin asymmetries and to the physics aspects of COMPASS polarized Drell-Yan program.

研究の動機と目的

• 高精度なCOMPASSデータを用いて、SIDISにおける横スピン非対称性の包括的かつ多次元的分析を実施すること。
• 同一実験内でSivers、Collins、その他の横スピン効果のx-, z-, Q²-, およびpT依存の分布を初めて同時に抽出すること。
• 横運動量に依存する（TMD）部分子分布関数（PDF）のQ²進化を直接テストするための入力を提供すること。
• 同じ実験設定を用いてSIDISとDrell-Yan過程を直接比較し、TMD PDFの普遍性をテストすること。
• Sivers関数の符号変化をプローブし、TMD進化の主要な特徴を検証する、初の偏極Drell-Yanデータ解析を実施すること。

提案手法

• 非対称性を4次元位相空間（x, z, Q², pT）で抽出するために、多次元アンフォールディング技術が適用された。
• 分析には、横標的に偏極された状態で測定された実験フレームにおける、COMPASSのプロトンおよびデュテロンのSIDIS全データセットが使用された。
• 理論的断面積式を用いて方位分布をモデル化し、すべての可能なスピン依存項（Sivers、Collins、TMD分岐効果を含む）をtwist-2まで組み込んだ。
• 非対称性は3次元および4次元グリッドで抽出され、特にSiversおよびCollins効果のQ²依存性に注意を払った。
• A_UT^{sin(ϕ_S)}およびA_LT^{cos(ϕ_h−ϕ_S)}の3次元配置における初回抽出が行われ、理論的予測と比較された。
• 将来のCOMPASSによる初の偏極Drell-Yanデータとの比較により、TMD PDFの普遍性がテストされる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SIDISにおけるSiversおよびCollinsの横スピン非対称性のQ²依存性は何か？ これはTMD進化の理論的期待と一致するか？
• RQ2 SiversおよびCollins効果は、異なるx, z, pTのビンにおいて非ゼロに観測されるか？ その大きさはどのように変化するか？
• RQ3 A_UT^{sin(ϕ_S)}非対称性は非ゼロであるか？ これはWandzura-Wilczek近似を介してSiversおよびCollinsメカニズムと関連づけられるか？
• RQ4 A_LT^{cos(ϕ_h−ϕ_S)}非対称性が唯一の顕著な二重スピン非対称性であるか？ また、理論的予測と一致するか？
• RQ5 SIDISの結果は、同じ実験から得られる予定の偏極Drell-Yanデータとどのように比較できるか？ これによりTMD PDFの普遍性がテストできるか？

主な発見

• 正のハドロンに対して、Sivers非対称性はx全範囲で顕著な信号を示し、特に高xビンにおいてはzが大きい領域でQ²依存性が減少する兆候を示している。
• 負のハドロンに対してはSivers信号が明確でないが、低xでは負の効果が、高xおよび高Q²では正の効果が観測され、xおよびQ²に依存する複雑な構造を示唆している。
• Collins非対称性は、正および負のハドロン間で明確な鏡像的挙動を示し、zおよびpTが大きくなるにつれて大きさが増加するが、明確なQ²依存性は示さない。
• A_UT^{sin(ϕ_S)}非対称性は、正および負のハドロンの両方においてzが大きい領域で非ゼロかつ顕著であり、非自明なスピン-軌道相関を示している。
• A_LT^{cos(ϕ_h−ϕ_S)}非対称性は、統計的に有意な唯一の二重スピン非対称性であり、[18]の理論的予測と良好に一致している。
• 残りの4つの非対称性（A_UT^{sin(3ϕ_h−ϕ_S)}、A_UT^{sin(ϕ_h−ϕ_S)}、A_UT^{sin(2ϕ_h−ϕ_S)}、A_UT^{sin(ϕ_h+ϕ_S)})は、統計的不確実性の範囲内でゼロと整合的であり、理論的期待と一致している。