[論文レビュー] Transverse target single-spin asymmetry in inclusive electroproduction of charged pions and kaons

The HERMES Collaboration, A. Airapetian+130 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 50被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、DESYのHERMES実験を用いて、横方向にスピン極化された陽子からの荷電π中間子およびK中間子の包含的電磁生成反応における横方向標的単一スピン非対称性（SSA）を測定した。$\rm sin\psi$-非対称性が顕著に観測され、$P_T \approx 0.8$ GeVにおける$K^+$では最大0.08、$\pi^+$では0.06に達する大きな振幅を示し、特にSivers関数を含む横運動量に依存する部分素粒子分布（TMD）への強い感受性を示しており、ヌクレオン内でのスピン-軌道相関の兆候も示唆している。

ABSTRACT

Single-spin asymmetries were investigated in inclusive electroproduction of charged pions and kaons from transversely polarized protons at the HERMES experiment. The asymmetries were studied as a function of the azimuthal angle $ψ$ about the beam direction between the target-spin direction and the hadron production plane, the transverse hadron momentum relative to the direction of the incident beam, and the Feynman variable $x_F$. The $\sin(ψ)$ amplitudes are positive for positive pions and kaons, slightly negative for negative pions and consistent with zero for negative kaons, with particular transverse-momentum but weak $x_F$ dependences. Especially large asymmetries are observed for two small subsamples of events, where also the scattered electron was recorded by the spectrometer.

研究の動機と目的

• 横方向にスピン極化された陽子からの荷電π中間子およびK中間子の包含的電磁生成反応における横方向標的単一スピン非対称性（SSA）を測定すること。
• SSAが方位角$\psi$、横方向の中間子運動量$P_T$、Feynman変数$x_F$にどのように依存するかを調査すること。
• 高次次数効果および横運動量に依存する（TMD）部分素粒子分布、特にSivers関数の文脈で、大きなSSAの起源を解明すること。
• 特に高$z$（中間子エネルギーの割合）において、排他的および準排他的過程が観測された非対称性に与える寄与を評価すること。

提案手法

• DESYのHERMES実験を用い、横方向にスピン極化された水素標的と27.6 GeVの電子ビームを用いた。
• 深い非弾性散乱（DIS）および準実光子生成（$Q^2 \approx 0$）における荷電π中間子（$\pi^+, \pi^-$）およびK中間子（$K^+, K^-$）の包含的電磁生成反応を測定した。
• 運動量$P_T$と$x_F$の二次元ビニングを実施し、運動量依存性を解体した。
• $P_T$および$x_F$の関数として$\rm sin\psi$-非対称性振幅を抽出し、DIS（$Q^2 > 0$）と光子生成（$Q^2 \approx 0$）の運動量領域ごとに別々に解析した。
• 特にSivers関数と好ましい/非抑制的フラグメンテーション寄与に注目したTMD因子化に基づく理論モデルと結果を比較した。
• 散乱電子を検出したサブサンプルを分析し、高$Q^2$および排他的過程からの寄与を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 荷電π中間子およびK中間子の包含的電磁生成反応における横方向単一スピン非対称性の大きさと運動量依存性は何か？
• RQ2 $P_T$およびFeynman変数$x_F$に伴い非対称性はどのように変化するのか？ これは、基礎的な部分素粒子ダイナミクスに何を示唆するのか？
• RQ3 観測された非対称性の多くが、高次次数効果やSivers関数のようなTMD部分素粒子分布によって説明可能か？
• RQ4 特に高$z$において、排他的または準排他的過程が観測された非対称性に顕著な寄与を果たす可能性はあるか？
• RQ5 観測された非対称性は、アップクォークおよびダウンクォークのSivers関数への現象論的フィットと整合性があるか？

主な発見

• 非対称性振幅$\rm sin\psi$は正であり、$P_T \approx 0.8$ GeVで$\pi^+$では約0.06、$K^+$では0.08の最大値に達する。
• $\pi^-$では非対称性振幅はわずかに負であり、$K^-$ではゼロとほぼ一致するため、フラグメンテーション機構が異なることが示唆される。
• 非対称性振幅は、低$P_T$でゼロから滑らかに増加し、$P_T \approx 0.8$ GeVでピークに達し、その後高$P_T$で減少する。
• $\pi^+$では、$P_T$と$x_F$を同時にビニングした場合、$x_F$にほぼ依存しないが、$P_T$統合後に顕著な$x_F$依存性が現れるのは$P_T$依存性に起因する。
• $\pi^-$では非対称性振幅は$x_F$とともに減少し、$K^+$では増加する傾向を示す（二次元抽出結果）。
• DISサブサンプル（$0.2 < z < 0.7$）では非常に大きな非対称性が観測され、特に$\pi^+$および$K^+$で顕著で、好ましいクォークフラグメンテーションが支配的であり、排他的過程の寄与も可能性として示唆される。