[論文レビュー] Transverse single-spin asymmetries in proton-proton collisions at the AFTER@LHC experiment

Koichi Kanazawa, Y. Koike+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 30被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、計画中のAFTER@LHC実験における陽子-陽子衝突における横方向単一スピン非対称性（TSSA）の理論的予測を提示している。パイオン、ジェット、直接的光子生成を対象とし、ねじれ3次およびTMD形式を用いて、パイオンでは5–10%、ジェットではわずかだが測定可能な値、光子では約−5%の負の非対称性を予測。これはCT3とGPMフレームワークを明確に区別する手がかりを提供し、長年のTSSA起源における符号不一致問題を解消する。

ABSTRACT

We present results for transverse single-spin asymmetries in proton-proton collisions at kinematics relevant for AFTER, a proposed fixed-target experiment at the Large Hadron Collider. These include predictions for pion, jet, and direct photon production from analytical formulas already available in the literature. We also discuss specific measurements that will benefit from the higher luminosity of AFTER, which could help resolve an almost 40-year puzzle of what causes transverse single-spin asymmetries in proton-proton collisions.

研究の動機と目的

• AFTER@LHC実験に適した運動論的条件における陽子-陽子衝突における横方向単一スピン非対称性（TSSA）の理論的予測を提供すること。
• 特にQiu-Sterman関数とSivers関数の間の符号不一致に起因する、40年間未解決のTSSAの起源に関する問題を解決すること。
• AFTERの高い光度が、パイオン、ジェット、直接的光子生成におけるTSSAをより高い精度で測定できる可能性を評価すること。
• ジェットおよび光子の非対称性を通じて、分岐関係の寄与を除いたQiu-Sterman関数の明確な抽出を可能にすること。
• 将来のデータと予測を比較することで、ねじれ3次共線型および一般化されたパートンモデル（GPM）フレームワークの妥当性を検証すること。

提案手法

• 文献に由来する解析的公式を用い、ねじれ3次のクォーク-グルーオン-クォーク相関（Qiu-Sterman関数）を用いて、パイオン、ジェット、直接的光子生成におけるTSSAを予測。
• Sivers、Collins、Boer-Mulders関数を含む、横運動量依存性（TMD）関数を用いた一般化されたパートンモデル（GPM）形式を適用。
• AFTERに適した$√{S} = 115$ GeVにおける$x_F$、$y$、$p_T$の関数として非対称性の数値的評価を実施。
• 直接的光子生成における分岐寄与を抑制するための分離条件を導入し、Qiu-Sterman関数への明確なアクセスを確保。
• ソフトグルーオン極（SGP）メカニズムに加え、ソフトフェルミオン極（SFP）および三グルーオン関数の寄与も検討。
• Qiu-Sterman関数の入力として、半包含的深エネルギー損失散乱（SIDIS）から抽出されたSivers関数を用い、プロセス依存性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Qiu-Sterman関数のみでパイオン生成における観測されたTSSAを説明でき、Sivers関数との符号不一致の問題が生じないか？
• RQ2 AFTERにおけるジェットおよび直接的光子非対称性は、分岐効果を除いてQiu-Sterman関数への明確なアクセスを可能にする程度はどの程度か？
• RQ3 AFTERにおける直接的光子の予測された負の非対称性は、ねじれ3次（CT3）フレームワークと、正の非対称性を予測するGPMフレームワークを明確に区別できるか？
• RQ4 AFTERの高統計データにより、$x^{\uparrow}$が大きい領域におけるSivers関数の不確実性が解消され、ジェット生成におけるQiu-Sterman関数の優位性が確認できるか？
• RQ5 pQCDの予測通り、パイオン生成におけるTSSAは高横運動量（$p_T \gtrsim 12$ GeV）で平坦であると予想されるが、AFTERはこの振る舞いを検証可能か？

主な発見

• AFTERにおけるパイオン生成のTSSAは、$x_F$の関数として5–10%の範囲に予測され、高$ p_T $で緩やかに低下し、$p_T \gtrsim 12$ GeVで平坦化する傾向を示す。
• ジェット非対称性$A_N^{jet}$は非常に小さいが、Sivers関数の不確実性およびSFPおよび三グルーオン関数の寄与により、測定可能な信号が得られる可能性がある。
• 直接的光子非対称性$A_N^{\gamma}$は、$y \sim -2$および$l_T = 3$ GeVで約−5%に予測され、より負の$x_F$や増加する$l_T$とともに減少するが、これはGPMの予測である正の非対称性とは対照的である。
• 非対称性の負の符号は、ねじれ3次（CT3）フレームワークをGPMフレームワークよりも支持し、両者の明確な区別を可能にする。
• AFTERの高統計データにより、より負の$x_F$における$A_N^{jet}$のより精密な測定が可能となり、Qiu-Sterman関数が非対称性の唯一の起源であるかどうかを決定づける上で不可欠である。
• AFTERにおける光子およびジェット観測量には分岐寄与がないため、Qiu-Sterman関数の明確な抽出が可能となり、パイオンデータに見られる曖昧さが解消される。