[論文レビュー] STAR Results from Polarized Proton Collisions at RHIC

L. C. Bland|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、√s = 200 GeVにおける極化陽子衝突に関するRHICにおけるSTAR実験の初期結果を提示しており、前方中性パイオンおよび荷電ハドロン生成における大きな分析力が確認され、低エネルギー実験からのスピンに依存する非対称性の持続性が裏付けられた。本研究では、BBC検出器を用いた高精度の局所偏光計を確立し、ビーム偏光のリアルタイム監視および衝突点における縦偏光の検証を可能にした。

ABSTRACT

This talk reports on progress from the first two years of polarized proton collisions at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) at Brookhaven National Laboratory (BNL). STAR is one of the two large experiments at RHIC. It features large acceptance spanning a broad range of rapidity. The long-term goals of the STAR spin program are to measure the gluon contribution to the proton's spin; determine the contribution of specific quark flavors to the spin of the proton through the study of spin observables for vector boson production, and to determine the transversity structure function. The study of polarized proton collisions at $\sqrt{s}$=200 and 500 GeV is expected to provide important insight into the spin structure of the proton, revealing the contributions to the spin sum rule either from gluons or from the orbital motion of the partons. Selected STAR results from the study of polarized proton collisions during the first two runs are presented.

研究の動機と目的

• 極化陽子衝突における包含ジェットおよび光子生成を通じて、陽子スピンに寄与するグルーオンの寄与を測定すること。
• W±およびZ⁰ボソン生成を用いて、フレーバーに依存するクォークおよび反クォークの寄与を決定すること。
• 横方向に偏光した陽子衝突を用いて、横構造関数および軌道的角運動量の寄与を調べること。
• スピンローター磁石の性能を検証し、RHICにおけるビーム偏光のリアルタイム監視のための局所偏光計を確立すること。
• Leading-order pQCD予測をγ + ジェットなどの排他的な最終状態に拡張し、次に近い次数の補正をテストすること。

提案手法

• RHICにおけるSTAR検出器を用い、2001–2002年および2003年の2回の走行期間中に、√s = 200 GeVの縦方向および垂直方向に偏光した陽子ビームを用いてデータ収集を行った。
• バーレイ・カリメータ（BBC）を用いて、高い仮想的rapidity領域（3.4 < η < 5.0）における包含中性パイオンおよび荷電ハドロン生成の単一スピン非対称性（A_N）を測定した。
• BBCに基づく非対称性とCNI偏光計からのデータを相関させ、ビーム偏光の検証および分析力（A_N）の独立的決定を実施した。
• 部分子シャワー・モデルを用いたleading-order pQCDを用いて、前方パイオン生成の測定断面積と理論的予測を比較した。
• スケーラー基盤の読み出しシステムを用いて、リアルタイムでのビーム偏光モニタリングを実施し、スピンローターの性能を継続的に評価可能とした。
• 時間依存的非対称性の解析により、スピンローター磁石が作動している間、STAR衝突点における安定な縦偏光が実現されていることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低エネルギーで観測された前方パイオン生成における大きな分析力が、RHICの高い衝突エネルギー（√s = 200 GeV）でも継続するか？
• RQ2 BBC検出器は、極化陽子ビームの横方向偏光成分をモニタリングするための高精度の局所偏光計として機能できるか？
• RQ3 包含荷電ハドロン生成の分析力の大きさおよび仮想的rapidity依存性は何か？（前方領域において）
• RQ4 部分子シャワーを含むleading-order pQCD計算は、大rapidityにおける中性パイオン生成の測定断面積をどの程度よく再現するか？
• RQ5 RHICのスピンローター系は、STAR衝突点で信頼性高く縦偏光を生成および維持できるか？

主な発見

• 仮想的rapidityが広い領域（3.4 < η < 5.0）における包含中性パイオン生成の分析力は、NLO pQCD計算および部分子シャワーを含むleading-order pQCDの予測と整合的であった。
• 仮想的rapidity領域 3.4 < η < 5.0 における包含荷電ハドロン生成の非ゼロ分析力（約0.006）が測定され、局所偏光モニタリングに十分な図式的優位性を示した。
• BBCに基づく非対称性測定は仮想的rapidity依存性を強く示し、内側のリング（3.9 < η < 5.0）にヒットが記録された場合にのみ非ゼロの分析力が観測された。これは前方粒子フラックスに敏感であることを示唆した。
• 時間依存的非対称性測定により、スピンローター磁石がSTAR衝突点で縦偏光を効果的に生成していることが確認された。これは、ローターをオンにした際のBBC非対称性の低下によって裏付けられた。
• 局所偏光計は、1秒あたり5×10³⁰ cm⁻²s⁻¹の光度および25％のビーム偏光条件下で、30分間で3標準偏差の統計的精度に達し、偏光方向の分解能10°を達成した。
• BBCで観測された分析力は、CNI偏光計で測定された値（A_N^CNI = 0.013 ± 0.004）のおおよそ半分であったが、独立した偏光モニタリングシステム間の整合性を確認した。