[論文レビュー] STAR results and perspectives on transverse spin asymmetries

N. Poljak|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、RHICにおける陽子衝突における前向き $π^0$ 生成における大規模な横方向単一スピン非対称性の起源を、偏極陽子衝突における $π^0$ メソンと「ジェットに類似した」対象との相関を分析することで調査する。STARのフォワードパイオン・ディテクタ++（FPD++）を用いて、$\pi^0$ とジェットに類似した対象の間の方位角角（$\gamma$）を測定することで、シバーズ効果を分離した。コリンズ効果は有意に検出されなかったため、観測された非対称性の主因はシバーズ分布関数であると示唆された。

ABSTRACT

The STAR collaboration reported precision measurements on the transverse single spin asymmetries for the production of forward $π^0$ mesons from polarized proton collisions at $\sqrt{s}=$ 200 GeV. To disentangle contributions to measured forward asymmetries one has to look beyond inclusive $π^0$ production to the production of forward jets or direct photons. In 2006, STAR with the Forward Pion Detector++ (FPD++) in place, collected 6.8 pb$^{-1}$ of forward data with an average polarization of 60%. FPD++ had sufficient acceptance for "jet-like" objects, which are clustered responses of an electromagnetic calorimeter primarily sensitive to incident photons, electrons and positrons. For these objects, the angle of the outgoing leading $π^0$ with respect to the fragmenting parton was reconstructed, thus enabling us to disentangle the contributions to the forward $π^0$ asymmetries. The simulated data set shows that on average there are approximately 2.5 fragmenting mesons per one "jet-like" object, making them reasonably "jetty". Preliminary results provide no evidence of measured contributions to the asymmetry from jet fragmentation, implying the Sivers distribution functions play a substantial role in producing the large inclusive forward $π^0$ asymmetries. A similar effort was made in the mid-rapidity $(|η|<1)$ region of the STAR detector, where 2.2 pb$^{-1}$ of data was collected. We present progress made by making measurements of the azimuthal asymmetry of leading charged pions in jets produced by transversely polarized proton collisions.

研究の動機と目的

• 前向き $π^0$ 生成における大規模な横方向単一スピン非対称性に寄与するシバーズ効果とコリンズ効果の寄与を解明すること。
• 観測された非対称性が初期状態の横方向運動量分布（シバーズ）か、最終状態のフラグメンテーション（コリンズ）効果に起因するかを特定すること。
• 電磁カルシウム・カラミータの反応から再構成した「ジェットに類似した」対象を用いて、フラグメンティングパートンに対して相対的な $π^0$ 生成の角度依存性を調べること。
• 高エネルギー陽子-陽子衝突における横方向運動量依存性（TMD）パートン分布の理解を深めること。
• 前向き速さ領域（$\langle\eta\rangle \approx 3.3$）および中間速さ領域（$|\eta|<1$）における精度測定を用いて、シバーズ分布関数に制約を加えること。

提案手法

• STARのフォワードパイオン・ディテクタ++（FPD++）を用いて、$\sqrt{s} = 200$ GeV で平均陽子偏極率60％の条件下で6.8 pb$^{-1}$ のデータを収集した。
• 「ジェットに類似した」対象を、主に光子、電子、陽電子に感受性の高い電磁カルシウム・カラミータのクラスタリング応答として特定した。
• 「ジェットに類似した」対象のスラスト軸と、主要な $\pi^0$ の間の角度 $\gamma$ を再構成し、スピン依存性のある方位角相関を調べた。
• 測定器効果を最小限に抑えるために、測定器モジュールの幾何平均を用いたクロスレシオ式を適用して非対称性 $A_N(\gamma)$ を計算した。
• イベントの運動量の記述と測定器応答のモデル化に、PYTHIA 6.222 および GEANT シミュレーションを用い、デジタイゼーションと再構成はデータ処理と一致させた。
• 中間速さ領域の解析では、TPCトラックとEMCタワーを用いてミッドポイント・コーン・アルゴリズムを適用し、$p_T > 10$ GeV およびコーン半径 $R = 0.7$ の条件でジェットを再構成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された前向き $\pi^0$ 横方向単一スピン非対称性は、主にシバーズ効果か、コリンズ効果か。
• RQ2 「ジェットに類似した」対象に対して相対的な $\pi^0$ 生成の方位角依存性は、コリンズ機構に一致する特徴を示すか。
• RQ3 シミュレートされた「ジェットに類似した」対象は、多重度と運動量の面で、実際のジェットとどの程度類似しているか。
• RQ4 前向き速さ領域と中間速さ領域における非対称性の比較は、TMDパートン分布関数にどのような示唆をもたらすか。
• RQ5 $\gamma$-角度依存性の非対称性が、初期状態（シバーズ）と最終状態（コリンズ）のスピン-軌道相関を区別できるか。

主な発見

• 前向き領域における非対称性の $\gamma$-角度依存性には顕著な勾配がなく、コリンズ効果の寄与は測定不能であることを示している。
• $x_F > 0$ の場合、非対称性は1$\sigma$以上に有意に正であり、$\cos(\gamma)$ に依存しないことから、シバーズ効果が主因であると整合的である。
• シミュレートされた「ジェットに類似した」対象には1対象あたり平均2.5個のフラグメンティングメソンが含まれており、ジェットに類似した性質を確認し、TMD解析に適していることが裏付けられた。
• スピン平均の $\gamma$ 分布は、物理的要因ではなく測定器の受容性によって形作られており、受容性を制限すると $\chi^2$ が減少することが示された。
• 中間速さ領域におけるジェット内でのチャージドパイオンの方位角分布の解析では、誤差が大きく、今後の統計の増加と解析手法の洗練により改善が期待される。
• 理論的推定では、アイソスピン対称性のため $\pi^0$ のコリンズフラグメンテーション関数は無視できるほど小さいとされ、コリンズ効果のゼロ結果を支持する。