[論文レビュー] The Transverse Structure of the Deuteron with Drell-Yan

D. Keller|arXiv (Cornell University)|May 2, 2022

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、フェルミ研究所のSpinQuest実験において、スピン化された重水素標的に用いられるDrell-Yan過程を用いて、最初の実験的測定として中性子および重水素核の横スピン関数TMDを提案している。チャイラル奇性の性質とスピン1標的の特徴を活用することで、グルーオンの横スピン関数をクォーク分布から分離し、個々の核子に結びつかない非摂動的グルーオン構造、特に特異なグルーオン寄与を含む原子核内の非摂動的QCDダイナミクスを明確に探査できる。

ABSTRACT

We propose to measure neutron and deuteron transversity TMDs. The quark transversity distributions of the nucleon are decoupled from the deuteron gluon transversity in the $Q^2$ evolution due to the chiral-odd property in the transversely-polarized target. The gluon transversity TMD only exists for targets of spin greater or equal to 1 and does not mix with quark distributions at leading twist, thereby providing a particularly clean probe of gluonic degrees of freedom. This experiment would be the first of its kind and would probe the gluonic structure of the deuteron, investigating exotic glue contributions in the nucleus not associated with individual nucleons. This experiment can be performed with the SpinQuest polarized target recently assembled for experiment E1039 and the spectrometer already in place in NM4. This new experimental setup would require very minimal modification to the target system and no modification to the detector package. An additional RF-circuit and target coil are necessary to RF-modulate across the domain of the Larmor frequency to manipulate the solid-state target spin population densities. Dedicated beam-time with this novel target system is required to achieve our physics goals.

研究の動機と目的

• 横方向にスピン化された重水素標的を用いたDrell-Yan過程を用いて、中性子および重水素核の横スピン関数TMDを測定すること。
• 横スピン関数のチャイラル奇性とスピン1標的の性質を活用して、クォーク分布からグルーオンの横スピン関数TMDを分離すること。
• 個々の核子に結びつかない非核子的で特異なグルーオン寄与が重水素核のグルーオン構造にどのように現れるかを、横スピン関数を用いて探査すること。
• 新規に設置されたSpinQuestスピン化標的と、最小限の改造で済む既存の分光計を用いて、高精度な測定を達成すること。
• 2年間の期間で$8 \times 10^{17}$プロトンを標的に照射し、海クォークおよびグルーオンの横スピン関数非対称性の統計的感度に到達すること。

提案手法

• SpinQuestスピン化重水素標的（ND3）を用い、ベクトルおよびテンソルのスピン化状態を活用して、Drell-Yan過程によるレプトン対生成を通じて横スピン関数TMDにアクセスする。
• 2つの標的スピン状態（ベクトルスピン化状態とテンソルスピン化状態）におけるDrell-Yan生成断面積を測定し、その差がグルーオンの横スピン関数に敏感であるようにする。
• ラーモア周波数でのRFモードを用いて、固体標的内のスピン状態の密度を制御・測定し、正確なスピン制御とNMRベースのキャリブレーションを可能にする。
• 既存のNM4分光計とビームラインインfraを活用して、Drell-Yan過程からのジムーリオン対を高効率かつ高い運動量分解能で検出する。
• 運動量の希釈補正と光度正規化を、ビームプロファイルと照射光度測定値を用いて適用し、非対称性抽出の正確性を保証する。
• イベント数からの統計的誤差を誤差伝搬法で評価し、スピン、希釈係数、光度を考慮する。非対称性の不確実性に関する主要な式は、$\delta A_{UT} \propto 1 / (f P_n \sqrt{N_{\text{tot}}})$ および $\delta A_{E_{xy}} \propto \sqrt{1/N_U} \cdot (P_{zz}/P) / (f P_{zz})$ である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャイラル奇性の性質と、1次項の摂動論的混合がないことにより、スピン1標的においてグルーオンの横スピン関数TMDがクォーク分布から明確に分離可能であるか？
• RQ2 Drell-Yan非対称性を用いて測定された重水素核における海クォークの横スピン関数分布の大きさと形状は何か？
• RQ3 非核子的で特異なグルーオン寄与は、横スピン関数を用いた測定によって、重水素核のグルーオン構造にどの程度現れるか？
• RQ4 既存のSpinQuest分光計と新規にRFモード化されたスピン化標的を用いた、最小限の改造で済む新規な装置配置が、横スピン関数測定に必要な統計的精度を達成できるか？
• RQ5 テンソルスピン化の強化と半飽和RF技術は、非対称性測定における信号対雑音比を向上させ、系統的誤差を低減するか？

主な発見

• 本実験は、Drell-Yan過程を用いて中性子および重水素核の横スピン関数TMDを直接測定する初の試みを提案しており、海クォークおよびグルーオンの横スピン関数分布へのアクセスを可能にする。
• グルーオンの横スピン関数TMDは、スピン1標的において、1次項の混合がないことから、グルーオン自由度を明確に探査できる唯一の方法である。
• 海クォークの横スピン関数非対称性の統計的不確実性は、$\delta A_{UT} \propto 1 / (f P_n \sqrt{N_{\text{tot}}})$ に比例し、所定の精度を得るには$N_{\text{tot}} \propto 1 / \delta A_{UT}^2$ が必要である。
• グルーオンの横スピン関数非対称性の不確実性は、テンソルスピン化$P_{zz}$とベクトルスピン化$P$に依存し、$\delta A_{E_{xy}} \propto \sqrt{1/N_U} \cdot (P_{zz}/P) / (f P_{zz})$ に比例する。これは、より高いスピン化度で感度が向上することを示している。
• 必要なビーム時間は、2年間で$8 \times 10^{17}$プロトンを標的に照射することを想定しており、両非対称性の統計的精度に到達する。
• 測定は、既存のSpinQuest装置への最小限の改造で実現可能であり、スピン制御のための新規RF回路と標的コイルを追加する。分光計とビームラインは既に設置済みであるため、活用できる。