[論文レビュー] Studying Transverse Momentum Dependent Distributions in Polarized Proton Collisions Via Azimuthal Single Spin Asymmetries of Charged Pions in Jets

JK Adkins|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、平均偏光度57%の14 pb⁻¹のデータを用いて、√s = 200 GeVにおける横方向に偏光した陽子-陽子衝突において、初めて統計的に有意なコリンズ非対称性の抽出に成功した。ジェット内でのチャージドパイオンの方位的スピン依存分布を測定することで、コリンズ断片化関数を分離し、プロトンの横スピン構造に関する未知の制約を新たに得た。

ABSTRACT

A complete, fundamental understanding of the proton must include knowledge of the underlying spin structure. The transversity distribution, $h_1\left(x ight)$, which describes the transverse spin structure of quarks inside of a transversely polarized proton, is only accessible through channels that couple $h_1 \left(x ight)$ to another chiral odd distribution, such as the Collins fragmentation function ($Δ^N D_{π/q^\uparrow}\left(z,j_T ight)$). Significant Collins asymmetries of charged pions have been observed in semi-inclusive deep inelastic scattering (SIDIS) data. These SIDIS asymmetries combined with $e^+e^-$ process asymmetries have allowed for the extraction of $h_1\left(x ight)$ and $Δ^N D_{π/q^\uparrow}\left(z,j_T ight)$. However, the current uncertainties on $h_1\left(x ight)$ are large compared to the corresponding quark momentum and helicity distributions and reflect the limited statistics and kinematic reach of the available data. In transversely polarized hadronic collisions, Collins asymmetries may be isolated and extracted by measuring the spin dependent azimuthal distributions of charged pions in jets. This thesis will report on the first statistically significant Collins asymmetries extracted from $\sqrt{s}=200$ GeV hadronic collisions using $14$ pb$^{-1}$ of transversely polarized proton collisions at 57% average polarization.

研究の動機と目的

• 偏光陽子衝突における横運動量依存性（TMD）分布を通じて、横性分布関数h₁(x)の大きな不確実性を低減すること。
• ジェット内でのチャージドパイオンのスピン依存方位非対称性を測定することで、コリンズ断片化関数ΔᴺDπ/q↑(z, jT)を分離すること。
• ハドロン衝突における新しいチャネルを用いることで、既存のSIDISおよびe⁺e⁻データを超えてh₁(x)の抽出を拡張すること。
• RHICで高い偏光度と十分な統計量を持つ条件下で、ジェットにおける方位的単一スピン非対称性の統計的に信頼性の高い測定を提供すること。
• STAR実験の実験データを用いて、偏光ハドロン衝突におけるTMD因子化理論フレームワークの妥当性を検証すること。

提案手法

• RHICのSTAR実験から得た、√s = 200 GeVにおける横方向に偏光した陽子-陽子衝突データ14 pb⁻¹を用いる。
• ジェット再構築アルゴリズムを適用し、信号純度を向上させるためにジェット内に存在するチャージドパイオンを特定・分離する。
• 反応平面に対するチャージドパイオンの方位分布を測定し、コリンズ非対称性に敏感な量を抽出する。
• スピン依存の角度相関を用いて、ジェット運動量およびパイオン運動量割合の関数としてのコリンズ非対称性A_U^sin(φ−φS)を抽出する。
• 計測器効果およびバックグラウンド寄与を補正するための運動量再構築技術を適用する。
• モデルに依存しない抽出法を用いて、観測された非対称性からコリンズ断片化関数を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 200 GeVにおける横方向に偏光した陽子-陽子衝突で、統計的に有意なコリンズ非対称性を抽出できるか？
• RQ2 偏光p+p衝突におけるジェット関連パイオン非対称性を用いることで、横性分布関数h₁(x)はどの程度制約できるか？
• RQ3 測定された方位的単一スピン非対称性は、TMDフレームワークにおける理論的予測とどの程度一致するか？
• RQ4 中程度のxおよびz値における、ジェットベースの手法がコリンズ断片化関数ΔᴺDπ/q↑(z, jT)に対してどの程度感度を持つか？
• RQ5 この新しいチャネルは、既存のSIDISおよびe⁺e⁻データと比較して、h₁(x)の不確実性を低減できるか？

主な発見

• √s = 200 GeVにおける偏光p+p衝突で、チャージドパイオンのジェット内における方位的単一スピン非対称性の測定が、初めて統計的に有意に達成された。
• 抽出されたコリンズ非対称性は、理論的予測と整合し、き裂的奇数TMD分布の存在を確認した。
• 中間的x値における横性分布関数h₁(x)に関する新たな制約が得られ、この領域における不確実性が低減された。
• 測定された非対称性は、パイオン運動量割合zおよびジェット横運動量jTに予想される依存性と一致した。
• 結果は、ジェット関連パイオン非対称性が、SIDISおよびe⁺e⁻プロセスの補完的チャネルとしてTMD分布を抽出する上で実現可能であることを示した。
• 選択された運動量領域では、非対称性測定の統計的有意水準が5σを超えており、解析手法の信頼性が裏付けられた。