[논문 리뷰] Measurement of Azimuthal Modulations in the Cross-Section of Di-Pion Pairs in Di-Jet Production from Electron-Positron Annihilation

P. H. Hansen, I. Adachi외 419명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 29.

Muon and positron interactions and applications인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 벨 실험을 통해 전자-양전자 결합에서 이중 파이온 쌍 생성 시의 원추형 조화분석을 처음으로 측정한다. $G_1^\perp$에 민감한 $\cos[2(\Phi_{R_1}-\Phi_{R_2})]$ 조화분석의 진폭은 통계적 및 체계적 오차 범위 내에서 0과 일치하며, 체계적 오차는 저질량 및 저$z$에서 $2 \times 10^{-3}$에서 고질량 및 고$z$에서 $5 \times 10^{-3}$로 변동한다. 이중 파이온 샘플의 순도는 90% 이상이며, 평균 18%가 채르모 쿼크 기여로 기인하고, 검출기 효과는 Pythia, EvtGen 및 GEANT3를 사용해 시뮬레이션하였다.

ABSTRACT

We present an extraction of azimuthal correlations between two pairs of charged pions detected in opposite jets from electron-positron annihilation. These correlations may arise from the dependence of the di-pion fragmentation on the polarization of the parent quark in the process $e^+e^- ightarrow q \bar{q}$. Due to the correlation of the quark polarizations, the cross-section of di-pion pair production, in which the pion pairs are detected in opposite jets in a dijet event, exhibits a modulation in the azimuthal angles of the planes containing the hadron pairs with respect to the production plane. The measurement of this modulation allows access to combinations of fragmentation functions that are sensitive to the quark's transverse polarization and helicity. Within our uncertainties we do not observe a significant signal from the previously unmeasured helicity dependent fragmentation function $G_1^\perp$. This measurement uses a dataset of 938~fb$^{-1}$ collected by the Belle experiment at or near $\sqrt{s}\approx10.58$ GeV.

연구 동기 및 목표

• 전자-양전자 결합에서 이중 제트 이벤트에 포함된 이중 파이온 쌍의 원추형 각도 상관관계를 측정하기 위해.
• 이중 파이온 단면적에서 $\cos[2(\Phi_{R_1}-\Phi_{R_2})]$ 조화분석을 통해 헬리시티에 의존하는 분할 함수 $G_1^\perp$를 탐색하기 위해.
• 분할 과정에서 경량 쿼크 및 채르모 쿼크의 기여를 평가하기 위해.
• 비대칭 측정에서 검출기 스메어링 및 영역 절단 효과에 기인한 체계적 오차를 정량화하기 위해.
• 부분파동 전개에서 $p$-파 간섭에 기인한 이론 예측에 대해 $G_1^\perp$에 대한 검증을 위해.

제안 방법

• 분석은 KEK의 $e^+e^-$ 충돌기에서 수집된 벨 실험의 데이터를 사용하며, $\sqrt{s} \approx 10.5$ GeV에서 수행된다.
• 이벤트는 운동량 및 기하학적 조건을 이용해 이중 제트 구성으로 고립된 두 개의 제트를 포함하는 이벤트로 선별된다.
• 이벤트의 수축 프레임에서 두 파이온 쌍 간의 원추형 각도 차이 $\Phi_{R_1} - \Phi_{R_2}$를 측정하여 $\cos[2(\Phi_{R_1}-\Phi_{R_2})]$ 조화분석을 추출한다.
• 체계적 오차는 Pythia를 이용한 파arton 샤워링, EvtGen을 이용한 붕괴, GEANT3를 이용한 검출기 반응을 고려한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 추정된다.
• 이중 파이온 샘플의 순도는 90% 이상이며, 나머지 부분은 카이온 오염으로 기인하고, 채르모 쿼크 기여는 평균 18%로 측정된다.
• 비대칭 $A^{\cos[2(\Phi_{R_1}-\Phi_{R_2})]}$는 이중 파이온의 진동 질량 $M$과 운동량 분율 $z$에 따라 추출되며, 통계적 및 체계적 오차가 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 파이온 쌍 생성에서 $\cos[2(\Phi_{R_1}-\Phi_{R_2})]$ 조화분석이 비영이 아닌 신호를 나타내는가? 이는 $G_1^\perp$ 분할 함수가 0이 아님을 의미한다.
• RQ2 채르모 쿼크 분할 기여는 측정된 원추형 비대칭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 검출기 스메어링 및 영역 절단 효과가 비대칭 측정에 얼마나 심각하게 편향을 유도하는가?
• RQ4 만약 붕괴 각도 $\theta_{\text{decay}}$를 $\cos(\theta_{\text{decay}}) > 0$ 영역으로 제한할 경우, $G_1^\perp$의 진폭이 유의미하게 비영이 되는가?
• RQ5 $G_1^\perp$의 부분파동 전개에서의 $p$-파 간섭은 비대칭에 측정 가능한 증폭을 유도하는가?

주요 결과

• $\cos[2(\Phi_{R_1}-\Phi_{R_2})]$ 조화분석의 진폭은 통계적 오차 범위 내에서 0과 일치하며, 이 오차는 대칭적이고 크기가 약 $10^{-3}$ 수준이다.
• 비대칭에 대한 체계적 오차는 비대칭적이며, 저질량 및 저$z$에서 $2 \times 10^{-3}$에서 고질량 및 고$z$에서 $5 \times 10^{-3}$로 변동한다. 주요 기여는 검출기 스메어링 및 영역 절단 경계 효과에서 기인한다.
• 이중 파이온 샘플의 순도는 90%를 초과하며, 나머지 10%는 카이온 오염으로 기인하고, 채르모 쿼크 기여는 평균 18%로, $z$에 따라 21%에서 5%로 단조롭게 감소한다.
• 붕괴 각도 $\theta_{\text{decay}}$를 $\cos(\theta_{\text{decay}})$가 양수인 영역으로 제한하더라도 $G_1^\perp$의 진폭이 유의미하게 비영이 되지 않으며, 이는 영 결과를 지지한다.
• 측정된 비대칭은 전체 $M$ 및 $z$ 위상공간에서 0에서의 유의미한 이탈이 없으며, 이는 이 운동량 영역에서 $G_1^\perp$ 분할 함수가 비영이 아님을 위한 증거가 없다는 것을 시사한다.