[論文レビュー] Spin-polarized high-energy scattering of charged leptons on nucleons

Matthias Burkardt, C. A. Miller+1 more|ArXiv.org|Dec 11, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、高エネルギーのスピン極性化されたレプトン-核子散乱を通じて、現在の陽子スピン構造の理解をレビューしている。主な焦点は、深く非弾性散乱（DIS）、一般化部分子分布（GPDs）、および格子QCDにあり、実験的データと理論的枠組みを統合して、クォークおよびグルーオンのスピンと軌道的角運動量の寄与を制約し、将来の高出力e-p衝突型加速器が陽子スピン予算における残存する不確実性を解消する役割を強調している。

ABSTRACT

The proton is a composite object with spin one-half, understood to contain highly relativistic spin one-half quarks exchanging spin-one gluons, each possibly with significant orbital angular momenta. While their fundamental interactions are well described by Quantum ChromoDynamics (QCD), our standard theory of the strong interaction, nonperturbative calculations of the internal structure of the proton based directly on QCD are beginning to provide reliable results. Most of our present knowledge of the structure of the proton is based on experimental measurements interpreted within the rich framework of QCD. An area presently attracting intense interest, both experimental and theoretical, is the relationship between the spin of the proton and the spins and orbital angular momenta of its constituents. While remarkable progress has been made, especially in the last decade, the discovery and investigation of new concepts have revealed that much more remains to be learned. This progress is reviewed and an outlook for the future is offered.

研究の動機と目的

• スピン極性化されたレプトン-核子散乱を用いた陽子スピン構造の理解における実験的および理論的進展を統合すること。
• クォークヘリシティ、グルーオンの極性、クォークの軌道的角運動量が陽子スピンに与える寄与を評価すること。
• 一般化部分子分布（GPDs）および格子QCDが3次元的陽子構造を調べる上で果たす役割を評価すること。
• 陽子スピン予算を完全に特定するにあたり、主な実験的および理論的課題を特定すること。
• 高出力でスピン極性化されたe-p衝突型加速器の推進を提唱し、横スピン、TMDs、GPDsの高精度測定を可能にすること。

提案手法

• 包含的および半包含的深く非弾性散乱（DIS）データの分析により、クォークヘリシティおよび横スピン分布を抽出する。
• 次に精度の高い（NLO）グローバルフィットを用いて、DISおよびDrell-Yanデータから部分子分布関数（PDFs）を決定し、グルーオンヘリシティを含む。
• スピンとクォークおよびグルーオンの角運動量を関連付けるためのJi関係および光線方向分解の理論的枠組みをレビューする。
• 特に chirally odd GPDs に対して、非摂動的手段としての格子QCDシミュレーションがスピン寄与を計算する方法を評価する。
• 深く仮想的コムプトン散乱（DVCS）やハード排他的なメソン生成といった排他的過程がGPDのプローブとしてどのように機能するかを検討する。
• 相反的モーメントおよびNLOパラメータ化を用いて、さまざまなエネルギー領域におけるDVCSデータにフィットする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 陽子スピンのどの程度がクォークの固有スピン、軌道的角運動量、グルーオンスピンによって担われているか？
• RQ2 半包含的DISにおける横スピン極性化およびコリンズ効果を用いることで、横スピン分布関数（transversity）および運動量依存部分子分布（TMDs）をどのように調べられるか？
• RQ3 排他的レプトン-核子散乱から一般化部分子分布（GPDs）をどの程度まで抽出でき、3次元的陽子構造について何を明らかにするのか？
• RQ4 格子QCD計算は、クォークおよびグルーオンのスピンと軌道的角運動量をどの程度制約するか？
• RQ5 陽子スピンの謎を解消するためにはどの程度の精度向上が必要であり、将来の高出力e-p衝突型加速器はそのプロセスにおいてどのような役割を果たすか？

主な発見

• u クォークが陽子スピンの主な寄与を占めており、正の固有スピンが負の軌道的角運動量寄与を上回っている。
• 格子QCD計算は、陽子スピンへのクォーク寄与が主に u クォークに起因しており、軌道的角運動量に対して顕著な制約があることを示唆している。
• グルーオンヘリシティ分布は、DISデータへのグローバルフィットによって制約されているが、その正確な値は不確実であり、より高い出力の実験が必要である。
• 高エネルギーでのDVCS実験では、ビームスピンおよびビーム電荷の非対称性が測定可能であり、α_s のNLOにおけるGPDに基づく予測と整合的である。
• 半包含的DISにおける横スピン非対称性、例えばSivers効果やBoer-Mulders効果から、運動量依存部分子分布（TMDs）へのアクセスが可能である。
• 将来のスピン極性化されたビームを備えた高出力e-p衝突型加速器は、小x領域へのアクセスとg_1の進化の高精度な決定を可能にし、グルーオン極性の抽出を可能にする。