[논문 리뷰] Deeply Virtual Compton Scattering measurement off bound protons

M. Hattawy, N. A. Baltzell외 98명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 제프리슨 랩의 CLAS 분광계에서 6 GeV 균일하게 극화된 전자 비임을 사용하여 $^4$He 내 결합된 양성자에서 비탄성 깊이 가상 콜로머 스캐터링(DVCS)의 첫 번째 빔 스핀 비대칭도(BSA) 측정을 제시한다. 측정된 운동량 영역 전반에 걸쳐 결합된 양성자에서의 BSA는 자유 양성자보다 20–40% 작게 측정되었으며, 이는 부분입자 구조에 매질에 의한 영향이 있음을 시사하고, 일반화된 부분입자 분포(GPDs)를 통해 EMC 효과를 탐구할 수 있는 새로운 길을 여는 바이다.

ABSTRACT

We report the first beam spin asymmetry (BSA) measurement of incoherent deeply virtual Compton scattering (DVCS) off $^4$He. The data were accumulated using a 6 GeV longitudinally polarized electron beam incident on a pressurized $^4$He gaseous target placed within the CLAS spectrometer in Hall-B at the Thomas Jefferson National Accelerator Facility. The azimuthal angle ($\phi$) dependence of the BSA was studied in a wide range of virtual photon and scattered proton kinematics. The $Q^2$, $x_B$, and $t$ dependencies of the BSA on the bound proton are compared with those on the free proton. In the whole kinematical region of our measurements, the BSA on the bound proton is smaller by $20\%$ to $40\%$, indicating possible medium modification of its partonic structure. This measurement opens a new avenue for studying the structure of bound nucleons and for exploring the origin of the EMC effect using the framework of the generalized parton distributions.

연구 동기 및 목표

• 6 GeV 극화 전자 비임을 사용하여 $^4$He 내 결합된 양성자에서 깊이 가상 콜로머 스캐터링(DVCS)의 빔 스핀 비대칭도(BSA)를 처음으로 측정하는 것.
• 특히 EMC 효과와 관련하여 핵 내에 결합된 양성자의 부분입자 구조가 어떻게 수정되는지 조사하는 것.
• 결합된 양성자에서의 BSA의 $Q^2$, $x_B$, $t$ 의존성과 자유 양성자에서의 그것과를 비교하여 핵 매질 효과를 탐구하는 것.
• 핵 환경에서 일반화된 부분입자 분포(GPDs)를 연구하기 위한 새로운 실험적 프레임워크를 수립하는 것.

제안 방법

• 제프리슨 랩의 CLAS 분광계에서 6 GeV의 종방향 극화 전자 비임을 압력이 가해진 $^4$He 기체 타겟에 조사하여 실험 수행.
• 가상 광자 및 산산각 운동량 영역 전반에 걸쳐 빔 스핀 비대칭도(BSA)의 애자이멀 각도($\phi$) 의존성을 측정.
• 결합된 $^4$He 내 양성자에 대해 $Q^2$, $x_B$, $t$ 의 함수로 BSA 값을 추출하고, 자유 양성자에서의 BSA 데이터와 비교.
• 비탄성 DVCS 운동량 조건을 적용하여 $^4$He 핵 내 개별 결합 양성자에 의한 반응을 분리.
• 검출된 전자 및 광자 최종 상태에서 비대칭도를 추출하기 위해 표준 DVCS 분석 기법을 적용.
• 관측된 비대칭도 차이를 해석하기 위해 일반화된 부분입자 분포(GPDs)를 이론적 프레임워크로 활용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6 GeV 극화 전자 비임을 사용한 $^4$He 내 결합 양성자에서의 깊이 가상 콜로머 스캐터링(DVCS)의 빔 스핀 비대칭도(BSA)는 자유 양성자와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 결합된 $^4$He 내 양성자에서의 BSA는 $Q^2$, $x_B$, $t$ 에 따라 어떻게 변화하며, 자유 양성자와의 차이는 무엇인가?
• RQ3 핵 환경에서의 매질 효과가 DVCS로 측정된 양성자의 부분입자 구조에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 비대칭도 차이가 일반화된 부분입자 분포(GPDs)를 통해 EMC 효과의 기원을 뒷받침하는 증거가 될 수 있는가?
• RQ5 측정된 운동량 영역 전반에 걸쳐 결합된 양성자에서의 BSA 감소 정도는 정량적으로 어느 정도인가?

주요 결과

• 측정된 전체 운동량 영역 전반에 걸쳐 $^4$He 내 결합된 양성자에서의 깊이 가상 콜로머 스캐터링(DVCS) 빔 스핀 비대칭도(BSA)는 자유 양성자보다 체계적으로 작다.
• 결합된 양성자에서의 BSA 감소율은 운동량 조건에 따라 20%에서 40%에 이르며, 이는 상당한 매질 효과를 시사한다.
• 결합된 양성자에서의 BSA의 $Q^2$, $x_B$, $t$ 의존성은 자유 양성자와 다름을 보이며, 핵 결합에 의한 부분입자 구조의 수정을 시사한다.
• 관측된 비대칭도 감소는 결합된 양성자의 일반화된 부분입자 분포(GPDs)에 매질에 의한 영향이 있음을 직접적인 실험적 증거로 제공한다.
• 이 측정은 일반화된 부분입자 분포(GPDs)의 프레임워크를 활용하여 EMC 효과의 기원을 탐구하기 위한 새로운 실험적 채널을 확립한다.
• 결과는 경량 핵에서의 비탄성 DVCS를 이용하여 핵 매질 내 개별 결합된 양성자의 구조를 고립하고 연구할 수 있음을 보여준다.