[논문 리뷰] Measurement of the Analyzing Power $A_N$ in $pp$ Elastic Scattering in the CNI Region with a Polarized Atomic Hydrogen Gas Jet Target

Hiromi Okada, I. Alekseev외 14명|ArXiv.org|2005. 12. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 RHIC에서 100 GeV/$c$의 양성자 빔과 극화된 원자 수소 기체 제트 표적을 사용하여 $\sqrt{s} = 13.7~{\rm GeV}$에서 $pp$ 탄성 산산파쇄에서 분석력 $A_N$의 정밀 측정을 제시한다. 데이터는 $0.001 < |t| < 0.032~{\rm GeV}^2/c^2$ 범위를 차지하며, 양성자의 비정상 자기모멘트에서 기인하는 전자기 스핀 전환 진폭만을 기반으로 한 쿨롱-핵자 간섭(CNI) 예측과 일치한다. 이는 강한 상호작용 스핀 전환 진폭이 크지 않다는 명백한 증거가 없다는 것을 의미한다.

ABSTRACT

A precise measurement of the analyzing power $A_N$ in proton-proton elastic scattering in the region of 4-momentum transfer squared $0.001 &lt; |t| &lt; 0.032 ({ m GeV}/c)^2$ has been performed using a polarized atomic hydrogen gas jet target and the 100 GeV/$c$ RHIC proton beam. The interference of the electromagnetic spin-flip amplitude with a hadronic spin-nonflip amplitude is predicted to generate a significant $A_N$ of 4--5%, peaking at $-t \simeq 0.003 ({ m GeV}/c)^2$. This kinematic region is known as the Coulomb Nuclear Interference region. A possible hadronic spin-flip amplitude modifies this otherwise calculable prediction. Our data are well described by the CNI prediction with the electromagnetic spin-flip alone and do not support the presence of a large hadronic spin-flip amplitude.

연구 동기 및 목표

• 쿨롱-핵자 간섭(CNI) 영역에서 높은 정밀도로 양성자-양성자 탄성 산산파쇄에서 분석력 $A_N$를 측정하는 것.
• 전자기 스핀 전환 진폭만을 기반으로 한 CNI 예측에서의 이탈 여부를 테스트하여 $pp$ 산산파쇄에서 강한 상호작용 스핀 전환 진폭의 존재를 탐색하는 것.
• 자기모멘트의 비정상성으로 인한 전자기 스핀 전환 진폭만을 고려한 CNI 예측과 비교하여 $t$ 영역 $0.001 < |t| < 0.032~{\rm GeV}^2/c^2$에서의 데이터를 사용해 감소된 스핀 전환 진폭 비율 $r_5$를 제약하는 것.
• 장거리에서의 비학습적 QCD 효과가 스핀에 의존하는 강입자 상호작용에 미치는 영향을 조사하는 것.

제안 방법

• 횡방향 극화를 가진 원자 수소 기체 제트 표적을 사용하여 $pp$ 탄성 산산파쇄에서 $A_N$를 측정하였다.
• 100 GeV/$c$의 RHIC 양성자 빔을 활용하였으며, 극화된 제트는 시계방향 빔과 12시 위치의 상호작용점에서 만난다.
• 반사된 양성자를 약 $90^\circ$ 근처의 각도에서 측정하여 산산파쇄 평면 내 스핀 비대칭을 탐지하였다.
• 두 성분의 피팅 모델을 적용: 하나는 전자기 스핀 전환 진폭만을 고려하는 CNI 예측을 가정하고, 다른 하나는 $r_5$를 통해 강한 상호작용 스핀 전환 진폭을 允허하는 모델.
• 독립적인 극화 측정을 통해 정규화 불확실성을 결정하였으며, 가짜 비대칭, 수용각, 배경으로 인한 체계적 오차를 고려했다.
• 두 모델에 모두 $A_N(t)$ 데이터를 피팅하여 적합도의 우수성과 $r_5$ 파rameter를 비교·추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CNI 영역에서 측정된 분석력 $A_N$가 전자기 스핀 전환 진폭만을 기반으로 한 예측에서 벗어나는가?
• RQ2 강한 상호작용 스핀 전환 진폭이 $pp$ 탄성 산산파쇄에서 스핀 비전환 진폭과 간섭하는 데 있어 유의미한 증거가 있는가?
• RQ3 $\sqrt{s} = 13.7~{\rm GeV}$에서 감소된 스핀 전환 진폭 비율 $r_5 = \lim_{|t|\to 0} \frac{M_p}{\sqrt{-t}} \frac{\phi_5^{\rm had}}{{\rm Im}(\phi_1^{\rm had} + \phi_3^{\rm had})/2}$의 상한선은 무엇인가?
• RQ4 이전의 $pC$ 산산파쇄 측정에서 유사한 에너지에서 CNI 예측과의 이탈이 관측되었는데, 이 결과와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 측정된 $A_N$ 값은 전자기 스핀 전환 진폭만을 고려한 CNI 예측에 잘 맞으며, 자유도 14개에 대해 $\chi^2 = 13.4$이다.
• 강한 상호작용 스핀 전환 진폭을 允허하는 피팅은 자유도 12개에 대해 $\chi^2 = 11.1$을 나타내어 피팅 품질 향상이 유의미하지 않음을 시사한다.
• 추출된 $r_5$ 파rameter는 ${\rm Re}~{}r_5 = -0.0008 \pm 0.0091$ 및 ${\rm Im}~{}r_5 = -0.015 \pm 0.029$이며, 이는 0과 일치하며 유의미하게 0과 다를 바가 없다.
• 95% 신뢰도 등고선은 $r_5$의 0 값을 배제하지 않으며, 이는 강한 상호작용 스핀 전환 진폭이 크지 않다는 증거가 없다는 것을 의미한다.
• 이전의 $pC$ 산산파쇄 측정에서 유도된 큰 강한 상호작용 스핀 전환 기여와 데이터는 일치하지 않는다.
• 결과는 $\sqrt{s} = 13.7~{\rm GeV}$에서 CNI 영역에서 $pp$ 산산파쇄에서 전자기 스핀 전환 메커니즘이 지배적임을 지지한다.