[논문 리뷰] Longitudinal and transverse spin asymmetries for inclusive jet production at mid-rapidity in polarized p+p collisions at sqrt{s}=200 GeV

the STAR Collaboration, L. Adamczyk외 372명|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 11.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 2005년과 2006년의 데이터를 사용하여 √s = 200 GeV에서 균형잡힌 p+p 충돌에서 중간 라파티튜드에서의 포함 제트 생성에 대한 縦방향 및 횡방향 스핀 비대칭을 제시한다. 횡방향 스핀 비대칭은 유의미한 결과를 보이지 않지만, 종방향 双스핀 비대칭 $A_{LL}$ 는 글루온 스핀 분포 $Δ g(x)$ 에 민감하며, 이는 이전의 전역 피팅보다 더 작은 $Δ G$ 를 지지하며, $x \sim 0.02-0.2$ 에서 양성자 내 글루온의 스핀 분포가 감소함을 시사한다. 이 결과들은 $Δ G$ 를 제약하고 전역 DSSV 피팅에 정보를 제공하며, 포함 제트 데이터가 균형잡힌 부분자 분포 함수를 정밀화하는 데 중요한 역할을 한다고 강조한다.

ABSTRACT

We report STAR measurements of the longitudinal double-spin asymmetry A_LL, the transverse single-spin asymmetry A_N, and the transverse double-spin asymmetries A_Sigma and A_TT for inclusive jet production at mid-rapidity in polarized p+p collisions at a center-of-mass energy of sqrt{s} = 200 GeV. The data represent integrated luminosities of 7.6 /pb with longitudinal polarization and 1.8 /pb with transverse polarization, with 50-55% beam polarization, and were recorded in 2005 and 2006. No evidence is found for the existence of statistically significant jet A_N, A_Sigma, or A_TT at mid-rapidity. Recent model calculations indicate the A_N results may provide new limits on the gluon Sivers distribution in the proton. The asymmetry A_LL significantly improves the knowledge of gluon polarization in the nucleon.

연구 동기 및 목표

• √s = 200 GeV에서 균형잡힌 p+p 충돌에서 중간 라파티튜드에서의 포함 제트 생성에 대한 종방향 및 횡방향 스핀 비대칭을 측정한다.
• A_{LL} 을 통해 양성자 내 스핀 의존 글루온 분포 함수 $\Delta g(x)$ 를 탐색하며, 제트 생성이 양성자 글루온 스핀에 대해 얼마나 민감한지를 테스트한다.
• 포함 제트 비대칭을 사용하여 균형잡힌 글루온 분포 함수의 적분 $Δ G$ 를 제약하며, 이는 이전의 깊은 비탄성 산란(DIS) 데이터에 비해 향상된 제약이다.
• DSSV와 같은 전역 분석에 자료를 제공하며, RHIC, DIS, SIDIS 데이터를 통합하여 $\Delta g(x)$ 를 더 넓은 $x$ 범위에서 추출한다.
• 운동학적 및 검출기 수용 범위 영향이 스핀 비대칭 추출에 미치는 영향을 평가하며, 특히 제트 콘 반경과 에너지 척도 변화에 따른 영향을 분석한다.

제안 방법

• 분석은 RHIC의 STAR 실험에서 2005년과 2006년에 기록된 √s = 200 GeV에서의 균형잡힌 p+p 충돌에서의 포함 제트 생성을 기반으로 한다.
• 이벤트 수준의 상관관계를 이용하여 제트의 횡방향 운동량과 양성자 스핀 방향 간의 상관관계를 통해 $A_{LL}$, $A_N$, $A_{\Sigma}$, $A_{TT}$ 등의 스핀 비대칭을 추출한다.
• 이론 예측과 데이터를 비교하기 위해 NLO pQCD 계산을 사용하며, CTEQ6 및 GRSV2000 STND 부분자 분포 함수를 활용한다.
• 제트 재구성은 수용 범위 관련 시스템적 오차를 최소화하기 위해 $R = 0.4$ 의 콘 반경을 최적화하여 사용한다.
• 스케일 및 고차항 보정에 대한 민감도는 인식 및 재결정화 스케일을 $2p_T$ 와 $p_T/2$ 범위에서 변화시켜 평가하였으며, $R = 0.4$ 에서 민감도가 감소하는 것으로 나타났다.
• 결과들은 멜린 모멘트를 사용하여 $\Delta g(x)$ 를 측정되지 않은 $x$ 영역으로 외삽함으로써 DSSV와 같은 전역 피팅에 통합되며, $Δ G$ 추출이 가능해진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중간 라파티튜드에서의 포함 제트 생성은 양성자 내 스핀 의존 글루온 분포 함수 $\Delta g(x)$ 에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ2 측정된 종방향 및 횡방향 스핀 비대칭 $A_{LL}$ 과 $A_N$ 은 균형잡힌 부분자 분포 함수에 기반한 NLO pQCD 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 RHIC 제트 비대칭 데이터는 단독으로 DIS 데이터를 사용한 경우에 비해 총 글루온 스핀 분포 $Δ G$ 의 제약을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 스케일 및 고차항 QCD 보정은 스핀 비대칭 추출에 어떤 영향을 미치며, 검출기 수용 범위와 콘 크기를 통해 어떻게 완화되는가?
• RQ5 DSSV와 같은 전역 분석에 포함 제트 데이터를 포함시키면, 특히 $x \sim 0.02-0.2$ 범위에서 $\Delta g(x)$ 의 불확실성이 어떻게 감소하는가?

주요 결과

• 통계적으로 유의미한 횡방향 스핀 비대칭($A_N$, $A_\Sigma$, $A_{TT}$)은 관측되지 않아 글루온 Sivers 분포에 대한 새로운 제약 조건을 제공한다.
• 종방향 双스핀 비대칭 $A_{LL}$ 은 글루온 스핀 분포 $Δ g(x)$ 에 민감하며, 데이터는 GRSV 표준 피팅보다 더 작은 $Δ G$ 를 지지한다.
• 측정된 $A_{LL}$ 값은 이전의 최적 피팅 DIS 곡선(GRSV 표준) 아래에 위치해 있으며, 이는 양성자 내 글루온 스핀 분포가 감소함을 시사한다.
• 특히 $x \sim 0.02-0.2$ 범위에서, DSSV 전역 분석은 $Q^2 = 10$ GeV² 에서 $Δ g(x,Q^2)$ 의 $\chi^2$ + 2% 상한값이 GRSV 표준 값의 약 절반임을 발견하였다.
• 이러한 제트 비대칭 데이터를 전역 피팅에 포함시킴으로써 $\Delta g(x)$ 의 불확실성이 크게 감소하였으며, 특히 RHIC가 접근 가능한 $x$ 영역에서 두드러진다.
• 제트 콘 반경 $R = 0.4$ 를 사용함으로써 스케일 및 고차항 QCD 보정에 대한 민감도가 최소화되어 $A_{LL}$ 추출의 강건성이 향상된다.