[논문 리뷰] Hard Collisions of Spinning Protons - History and Future

A. D. Krisch|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 06.

Computational Physics and Python Applications참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 양성자-양성자 탄성 산란의 역사를 다루며, 편광된 양성자 충돌에서 설명되지 않은 큰 횡방향 스핀 효과에 초점을 맞춘다. 현재 QCD 기반 모델이 고에너지에서 지속적인 스핀 효과를 설명하지 못하고 있음에도 불구하고, 러시아 IHEP-프로트비노의 70 GeV U-70 및 일본의 J-PARC에서 새로운 실험을 통해 고 $P_t^2$ 영역에서 스핀 비대칭 $A_n$과 $A_{nn}$을 측정하고자 제안한다. 이는 향후 QCD 모델의 수정을 이끌어내기 위한 것이다.

ABSTRACT

There will be a review of the history of polarized proton beams, and a discussion of the unexpected and still unexplained large transverse spin effects found in several high energy proton-proton spin experiments at the ZGS, AGS, Fermilab and RHIC. Next there will be a discussion of possible future experiments on the violent collisions elastic collisions of polarized protons at the 70 GeV U-70 accelerator at IHEP-Protvino in Russia and the new high intensity 50 GeV J-PARC at Tokai in Japan.

연구 동기 및 목표

• 편광된 양성자 빔의 역사적 발전과 고에너지 양성자-양성자 산란에서 예상치 못한 스핀 의존 효과를 밝혀내는 데서 그 역할을 검토하기 위해.
• 특히 고 $P_t^2$ 및 고에너지에서 QCD 예측과 실험 데이터 사이의 지속적인 불일치를 부각하기 위해 스핀 비대칭 $A_n$과 $A_{nn}$에 대해.
• 러시아의 70 GeV U-70 가속기와 일본의 50 GeV J-PARC에서 고정밀 실험을 통해 하드 산란 영역에서의 탄성 산란과 스핀 비대칭을 측정하고자 하며, 이를 통해 강한 상호작용 이론의 수정을 이끌어내기 위한 것이다.
• 반복 가능한 실험 데이터와 모순되는 이론은 수정되어야 한다는 원칙에 기반해, 강한 상호작용 이론 수정을 위한 실험적 지침을 제공하기 위해.
• 확산 피크와 광학 모델이 양성자 구조와 스핀 의존성 역학을 이해하는 데 있어 다시 한번 중요성을 회복시키기 위해.

제안 방법

• ZGS(5–12 GeV)에서 CERN ISR(2800 GeV²)에 이르기까지의 역사적 데이터로부터 유도된 스케일링된 $P_t^2$ 변수에 대해 양성자-양성자 탄성 단면적을 분석한다.
• 확산 피크의 기울기($\sim$10 (GeV/c)⁻²)를 푸리에 변환하여 약 1 펌프(fermi)의 가우시안 상호작용 반경을 유추한다.
• 단면적을 세 가지 성분으로 분리한다: 소규모 $P_t^2$ 확산(Gaussian 반경 ~1 fm), 중간 $P_t^2$ 성분(기울기 ~3 (GeV/c)⁻²), 고 $P_t^2$ 하드 산란(기울기 ~1.5 (GeV/c)⁻²).
• 탄성 산란에서 스핀 얽힌 초기 상태를 사용하여 스핀 의존 단면적 $\sigma_{\uparrow\uparrow}$와 $\sigma_{\uparrow\downarrow}$를 측정하고, 이를 통해 스핀 비대칭 $A_{nn}$과 $A_n$을 추출한다.
• Fermilab와 RHIC의 데이터를 사용하여 포함형 π 탄성 산란에서의 실험적 스핀 비대칭 $A_n$을 QCD 예측과 비교한다.
• IHEP-프로트비노의 SPIN@U-70 실험을 제안한다. 12 테슬라의 초냉각 스핀 편광 제트와 편광된 양성자 타겟을 사용하여 $P_t^2 \sim 12$ (GeV/c)⁻²에서 $A_n$을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 고 $P_t^2$ 및 고에너지에서 QCD 예측과는 다르게 큰 횡방향 스핀 효과가 양성자-양성자 산란에서 지속되는가?
• RQ2 기울기가 약 ~3 (GeV/c)⁻²인 중간 $P_t^2$ 성분의 기원은 무엇이며, 왜 테르라볼트 에너지에서 사라지는가?
• RQ3 기울기가 약 ~1.5 (GeV/c)⁻²인 고 $P_t^2$ 성분은 왜 확산 피크와 간섭하여 주로 허수 성분을 띠는가?
• RQ4 미국-러시아 PUoAE 협정이 일시 중단된 상황에서도, IHEP-프로트비노의 SPIN@U-70 실험은 $P_t^2 \sim 12$ (GeV/c)⁻²에서 $A_n$과 $A_{nn}$을 측정할 수 있는가?
• RQ5 50 GeV 고강도 편광 빔을 갖춘 J-PARC에서 유사한 실험을 수행하면, 수십 년 만에 하드 탄성 스핀 효과에 대한 새로운 데이터를 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 소규모 $P_t^2$ 확산 피크는 약 ~10 (GeV/c)⁻²의 기울기를 가지며, 이는 약 1 펌프의 가우시안 상호작용 반경과 일치하며, 광학 모델과도 일치한다.
• 중간 $P_t^2$ 성분(기울기 ~3 (GeV/c)⁻²)은 테르라볼트 에너지에서 사라지며, 직접적인 탄성 산란으로 인한 것으로 보이며, 실수 성분을 가진다.
• 고 $P_t^2$ 성분(기울기 ~1.5 (GeV/c)⁻²)은 약 0.3 펌프의 반경을 가지며, 주로 허수 성분을 띠므로 대부분의 경우 확산적 상호작용으로 보이며, 양성자 구성입자의 직접 상호작용일 가능성이 높다.
• 12 GeV에서 확산 피크에서 스핀 평행 및 반대 스핀 단면적은 거의 동일하며, 부드러운 산란 영역에서 명백한 스핀 의존성이 없음을 시사한다.
• Fermilab와 RHIC의 포함형 π 탄성 산란 데이터는 $\pi^+$와 $\pi^-$에 대해 반대 부호의 큰 $A_n$ 값을 보이며, $\pi^0$에 대해서는 더 작은 양의 $A_n$을 보이며, QCD 예측과 정면으로 배치된다.
• SPIN@U-70 실험은 2002년 3월까지 IHEP-프로트비노에 완전히 설치되었으나, 미국-러시아 PUoAE 협정이 일시 중단되면서 8개월 동안 검열을 받고 실험 진행이 지연되었다.