[論文レビュー] The COMPASS spin physics program

S. Panebianco|arXiv (Cornell University)|May 3, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本論文はCERNのCOMPASS実験における核子スピン構造に関する主要な結果を提示している。特に、小スケールの$ x $におけるデュテロン構造関数$ g_1 $の高精度測定、グルーオンスピン分率$\Delta G/G$、および横スピン関連の非対称性（コリンズ効果およびシバーズ効果）の予備的測定に焦点を当てている。160 GeVの極化されたミュオンビームと極化された$^6$LiD標的に基づくCOMPASSの測定では、約2.2 fb$^{-1}$の統合光度を達成し、$ x_g = 0.13 \pm 0.08 $における$\Delta G/G = 0.06 \pm 0.31_{\text{stat}} \pm 0.06_{\text{syst}}$を測定した。これは核子スピンへのグルーオンスピン寄与の制約を顕著に改善した。

ABSTRACT

One of the main aims of the COMPASS experiment at CERN is the study of the spin structure of the nucleon and in particular the determination of the gluon polarization in the nucleon. We present some new results of 2002-2003 data analysis. They concern a precise measurement of the deuteron structure function g1 at small x, some preliminary result on Collins and Sivers asymmetries which are linked to transversity and a new measurement of DeltaG/G.

研究の動機と目的

• COMPASSにおける極化深エネルギーシフト散乱（DIS）を用いて、核子内におけるグルーオン極化$\Delta G/G$を決定すること。
• 小BJORKEN-$ x $におけるデュテロン構造関数$ g_1 $の精度を向上させ、クォークスピン和$\Delta\Sigma$の制約を強化すること。
• コリンズ効果およびシバーズ効果を通じた非対称性の測定により、横スピン分布$\Delta_T q(x)$および$ k_T $依存のパートン分布関数$\Delta_0^T q$を調べること。
• 高$ p_T $ハドロンペアと開放charm最終状態を用いて、光子-グルーオン融合過程をクリアに探査することで、$\Delta G/G$測定における系arness不確実性を低減すること。

提案手法

• 光子-グルーオン融合（PGF）過程を介して$\Delta G/G$を抽出するために、ミュオン-デュテロン散乱における包含二重スピン非対称性$ A_{LL}^{\mu d} $を測定する。
• 一次的散乱（LODIS）およびQCDコンプトン（QCDC）背景を抑制するため、高横動量ハドロンペア（$ p_T > 0.7 $ GeV、$ p_{T1}^2 + p_{T2}^2 > 2.5 $ GeV$^2 $）を用いる。
• $ D^0 \to K^-\pi^+ $および$ D^{*+} \to D^0\pi_s^+ \to K^-\pi^+\pi_s^+ $のハドロン崩壊から$ D^0 $および$ D^{*+} $メソンを再構成し、PGFイベントを高純度でタグする。
• 運動量割合、崩壊角度、粒子識別に運動学的カットを適用し、charm粒子再構成における組み合わせ的バックグラウンドを抑制する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、観測された非対称性に寄与するLODISおよびQCDC過程の寄与を推定・減算する。
• 半包含的DISにおけるアゼロスフィア的単一スピン非対称性を分析し、横方向に極化されたデュテロン標的に基づくコリンズ効果およびシバーズ効果を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $ x_g \approx 0.13 $におけるグルーオン極化$\Delta G/G$の値は何か？ また、COMPASSデータからのその決定精度はどの程度か？
• RQ2 COMPASSによる小$ x $における$ g_1^d(x) $の測定は、クォークスピン和$\Delta\Sigma$の制約をどのように改善するか？
• RQ3 半包含的ミュオン-デュテロン散乱におけるコリンズおよびシバーズ非対称性は、非ゼロの横スピン分布および$ k_T $依存のパートン分布関数をどの程度示唆するか？
• RQ4 $ Q^2 < 1 $ GeV$^2 $領域における解体光子過程の寄与は、$\Delta G/G$測定にどのように影響し、COMPASSではその補正はどのように行われるか？

主な発見

• 小$ x $（$ x < 0.03 $）におけるデュテロン構造関数$ A_1^d(x) $のCOMPASS測定は、高光度および高い希釈係数のおかげで高精度を達成し、$ g_1(x) $の外挿制約を顕著に改善した。
• 高$ p_T $ハドロンペアを用いた分析により、グルーオン極化は$\Delta G/G = 0.06 \pm 0.31_{\text{stat}} \pm 0.06_{\text{syst}}$（$ x_g = 0.13 \pm 0.08 $）として測定された。系統的不確実性はバックグラウンド推定に起因する。
• $ D^* $タグ付き分析では、$ D^0 $未タグ（$ S_{\text{eff}} = 391 \pm 26 $）に比べ、より高い有効信号$ S_{\text{eff}} = 704 \pm 69 $が得られ、バックグラウンド抑制および$\Delta G/G$抽出の統計的パワーが向上していることが示された。
• コリンズおよびシバーズ非対称性は小さく、統計的不確実性の範囲内でゼロと整合的であり、$ x $、$ z $、$ p_T^h $に関するデータでは顕著なアゼロスフィア的依存性は観測されなかった。
• COMPASSとHERMESの$\Delta G/G$結果の乖離は、HERMES分析で解体光子過程の寄与が無視されていたことに起因するとされ、COMPASSでは$ Q^2 < 1 $ GeV$^2 $領域の分析でこれを補正している。
• $ Q^2 < 1 $ GeV$^2 $データの分析は継続中であり、統計的不確実性が少なくとも4倍低減され、最終的な$\Delta G/G$の精度が$\sim 0.24$まで向上すると予想される。