[論文レビュー] The Proton Spin, Semi-Inclusive processes, and a future Electron Ion Collider

Richard D. Ball, A. Deshpande|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、偏極化部分素粒子分布（pPDF）の決定における精度を向上させるために、半インラインデータを組み込んだグローバルフィットプログラムを提案し、電子イオン衝突装置（EIC）が陽子スピン構造の運動的範囲を拡大し、不確実性を低減することを提唱する。大きなグルーオン偏極が陽子スピン危機を解消できる可能性があるが、現在のデータは低x領域が測定されておらず、スキーム依存性に関する理論的曖昧さがあることにも言及している。

ABSTRACT

We discuss spin physics, Guido Altarelli's contribution to it, and what we still have to learn. We set out in particular a programme for incorporating constraints from semi-inclusive data into global fits of polarized PDFs, and discuss the need for the EIC to increase the precision and kinematic coverage of current measurements.

研究の動機と目的

• 半インライン深エネルギースキャッタリング（SIDIS）データを用いて、偏極化部分素粒子分布（pPDF）の制約を改善することで、未解決の陽子スピン危機に対処すること。
• 特に軸性異常およびスキーム依存性に起因する、スイングルトリアクスチャージ $ a_0(Q^2) $ の抽出における理論的・実験的不確実性を低減すること。
• 現在のデータが乏しく、外挿が不確実である低-$ x $ 領域を含む、偏極測定の運動的カバレッジを拡大すること。
• 高精度で広範囲のスピン依存構造関数測定を実現するために、電子イオン衝突装置（EIC）が不可欠であることを提唱すること。
• グローバルPDFフィットへの偏極SIDISデータの統合を体系化し、pPDF決定における精度向上とモデル依存性の低減を図ること。

提案手法

• 偏極化部分素粒子分布（pPDF）のグローバルフィットに半インラインデータ（SIDIS）を組み込み、測定された $ x $-範囲内の精度を向上させること。
• $ \overline{\text{MS}} $ 因子化スキームと二ループ偏極分割関数を用い、$ a_0(Q^2) $ のスケール依存性を考慮するが、軸性異常が果たす役割にも言及する。
• $ \Delta\Sigma $ が $ Q^2 $-不変で、$ \Delta g(Q^2) $ が $ 1/\alpha_s $ のように変化することを踏まえ、$ a_0(Q^2) = \Delta\Sigma - \frac{n_f \alpha_s(Q^2)}{2\pi} \Delta g(Q^2) $ という関係式を適用し、グルーオン寄与を評価すること。
• 軸性異常を正規化しない代替スキームを用いて、$ \Delta\Sigma $ を全クォークヘリシティに直接対応させることを可能にする。
• 摂動QCDからの理論的知見を活用し、pPDFの小$ x $ 行動をモデル化することで、第一モーメント計算における小$ x $ 外挿を改善すること。
• EICの運動的範囲を予測し、現在のDIS実験よりもはるかに広い $ x < 0.004 $ および $ Q^2 > 2000 \, \text{GeV}^2 $ のカバレッジを実現可能であることを示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半インライン深エネルギースキャッタリング（SIDIS）データは、偏極化部分素粒子分布関数（pPDF）のグローバルフィットの精度を著しく向上させることができるか？
• RQ2 偏極グルーオン分布 $ \Delta g(Q^2) $ は、陽子スピン危機の解消に果たす役割は何か？ また、EMC実験で観測された $ a_0(Q^2) $ の小さな値を補償できるか？
• RQ3 $ \overline{\text{MS}} $ スキームにおける軸性異常が、スイングルトリアクスチャージ $ a_0(Q^2) $ の解釈に与えるスキーム依存効果は何か？ また、どのような代替スキームが物理的解釈を明確に可能にするか？
• RQ4 現在の偏極DISデータは、pPDFの低$ x $ 領域をどの程度制約できるか？ また、この領域の不確実性は、$ a_0 $ のような第一モーメント抽出にどのように影響するか？
• RQ5 電子イオン衝突装置（EIC）は、特に低$ x $ 領域において、スピン構造関数測定の精度と運動的カバレッジにどのような影響を及ぼすと予想されるか？

主な発見

• 現在の偏極DISデータは $ 0.004 < x < 0.8 $ および $ Q^2 > 1 \, \text{GeV}^2 $ をカバーしているが、特に低$ x $ において、非偏極データに比べて精度と運動的カバレッジに制限がある。
• 軸性異常により、$ \overline{\text{MS}} $ スキームでは $ a_0(Q^2) $ が $ Q^2 $ に依存して変化するため、全クォークヘリシティへの同定が困難であるが、代替スキームでは $ \Delta\Sigma $ を全クォークヘリシティとして直接解釈可能である。
• 項 $ \frac{n_f \alpha_s(Q^2)}{2\pi} \Delta g(Q^2) $ は $ \mathcal{O}(\alpha_s) $ ではあるが、$ \Delta g(Q^2) \sim 1/\alpha_s $ であるため、高$ Q^2 $ で大きな値を取り得る。これにより、大きな正の $ \Delta g $ が $ \Delta\Sigma $ を補償し、EMCで観測された小さな $ a_0 $ を説明可能である。
• 理論的進展にもかかわらず、低$ x $ 領域における実験的制約が乏しいため、$ \Delta g $ の符号および大きさは依然として不確実である。
• 半インラインデータの統合により、pPDFの不確実性が低減され、第一モーメントの決定精度が向上すると予想される。
• EICは $ x < 0.004 $ および $ Q^2 > 2000 \, \text{GeV}^2 $ のカバレッジを実現すると予想され、陽子スピン構造の決定的検証と低$ x $ 領域の外挿誤差の低減が可能になる。