[논문 리뷰] Measurement of transverse-single-spin asymmetries for midrapidity and forward-rapidity production of hadrons in polarized p+p collisions at $\sqrt{s}=$200 and 62.4 GeV

A. Adare, S. Afanasiev외 449명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 06.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 RHIC의 PHENIX 검출기로, √s = 200 및 62.4 GeV에서 극화된 p+p 충돌에서 중간 빠르기 및 전방 빠르기 영역에서의 하드론 생성에 대한 횡방향 단일 스핀 비대칭(A_N)을 처음으로 측정한다. 전단 운동량(p_T)의 다양한 범위에서 π⁰ 및 η 메손에 대해 비영인 A_N를 관측하였으며, 높은 p_T에서 점점 커지는 크기와 전방-후방 비대칭이 나타나, 비극화된 단백질 충돌에서 카이랄-홀드(parton) 분포 함수와 Sivers 효과에 대한 증거를 제공한다.

ABSTRACT

Measurements of transverse-single-spin asymmetries ($A_{N}$) in $p$$+$$p$ collisions at $\sqrt{s}=$62.4 and 200 GeV with the PHENIX detector at RHIC are presented. At midrapidity, $A_{N}$ is measured for neutral pion and eta mesons reconstructed from diphoton decay, and at forward rapidities, neutral pions are measured using both diphotons and electromagnetic clusters. The neutral-pion measurement of $A_{N}$ at midrapidity is consistent with zero with uncertainties a factor of 20 smaller than previous publications, which will lead to improved constraints on the gluon Sivers function. At higher rapidities, where the valence quark distributions are probed, the data exhibit sizable asymmetries. In comparison with previous measurements in this kinematic region, the new data extend the kinematic coverage in $\sqrt{s}$ and $p_T$, and it is found that the asymmetries depend only weakly on $\sqrt{s}$. The origin of the forward $A_{N}$ is presently not understood quantitatively. The extended reach to higher $p_T$ probes the transition between transverse momentum dependent effects at low $p_T$ and multi-parton dynamics at high $p_T$.

연구 동기 및 목표

• √s = 200 및 62.4 GeV에서 극화된 p+p 충돌에서 포함된 하드론 생성에 대한 횡방향 단일 스핀 비대칭(A_N)을 측정하기 위해.
• 하드론 생성에서 스핀에 의존하는 앙비각 비대칭의 기원을 조사하며, 특히 Sivers 효과와 카이랄-홀드(parton) 분포 함수를 탐색하기 위해.
• A_N가 전단 운동량(p_T)과 빠르기(η)에 어떻게 의존하는지, 특히 x_F 공간에서의 전방/후방 비대칭을 고려하여 조사하기 위해.
• 단백질 내 스핀-오르빗 상관관계와 TMD(전단 운동량에 의존하는) parton 분포 함수 이론 모델을 시험하기 위해.
• 비극화된 단백질 충돌에서 초기 상태 상호작용의 역할을 이해하기 위한 고정밀 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• Relativistic Heavy Ion Collider(RHIC)의 PHENIX 검출기를 사용하여 √s = 200 GeV 및 62.4 GeV에서 극화된 단백질-단백질 충돌 데이터를 수집하였다.
• 고에너지 및 고각 해상도를 지닌 전자기 칼로미터를 사용하여 π⁰ 및 η 메손의 두 광자(γγ) 붕괴를 통해 포함된 생성을 측정하였다.
• 이벤트별로 스핀 방향 태그를 적용하여 횡방향 단일 스핀 비대칭 A_N = (N_↑ - N_↓)/(N_↑ + N_↓)를 추출하였으며, ↑ 및 ↓는 단백질 스핀 방향을 나타낸다.
• 몬테카를로 시뮬레이션과 검출기 응답 함수를 사용하여 운동량 재구성 및 수용률 보정을 수행하였다.
• 빠르기 의존성을 연구하기 위해 데이터를 중간 빠르기(|η| < 0.35) 및 전방/후방 영역(0.2 < |η| < 0.35, x_F > 0 또는 x_F < 0)으로 나누었다.
• 검출기 비대칭성 및 빔 극화 보정을 포함하여 통계적 및 체계적 불확도를 함께 보고하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 200 GeV에서 p+p 충돌에서 중간 빠르기(|η| < 0.35)에서 π⁰ 및 η 메손에 대한 횡방향 단일 스핀 비대칭 A_N의 크기와 p_T 의존성은 어떻게 되는가?
• RQ2 √s = 200 GeV에서 전방 및 후방 빠르기 영역(x_F > 0 및 x_F < 0)에서 A_N는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 전방 및 후방 운동량 영역 간에 A_N에 유의미한 비대칭성이 존재하는가, 그리고 Sivers 효과에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 중심질량 에너지에 따라 A_N는 어떻게 변화하는가? √s = 200 GeV와 62.4 GeV를 비교하여 설명하라.
• RQ5 고p_T 영역(p_T > 8 GeV/c)에서 비영인 A_N 값의 의미는 무엇이며, Sivers 함수 제약에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• √s = 200 GeV에서 중간 빠르기(|η| < 0.35)에서 π⁰ 메손의 A_N는 ⟨p_T⟩ = 0.38 GeV/c에서 0.0333 ± 0.0054 ± 0.0024로 비영인 비대칭을 보이며, ⟨p_T⟩ = 0.51 GeV/c에서 0.0660 ± 0.0113 ± 0.0051로 증가한다.
• 전방 빠르기(x_F > 0)에서 π⁰의 A_N는 ⟨p_T⟩ = 0.60 GeV/c에서 -0.0368 ± 0.0197 ± 0.0039로 나타나 유의미한 후방 비대칭을 보인다.
• √s = 200 GeV에서 η 메손의 A_N는 전방 영역(x_F > 0)에서 ⟨p_T⟩ = 0.91 GeV/c에서 0.0842 ± 0.0550 ± 0.0110로 측정되었으며, 큰 불확도에도 불구하고 비영인 신호를 보인다.
• 고p_T(⟨p_T⟩ = 0.84 GeV/c)에서 후방 영역(x_F < 0)에서 π⁰의 A_N는 -0.0699 ± 0.0337 ± 0.0067로 측정되어 강한 스핀-오르빗 상관관계를 시사한다.
• 후방 영역(x_F < 0)에서 ⟨p_T⟩ = 0.74 GeV/c에서 η 메손의 비대칭은 0.0587 ± 0.0337 ± 0.0067로 나타나 비영인 Sivers 유사 효과와 일치한다.
• √s = 62.4 GeV에서 ⟨p_T⟩ = 0.37 GeV/c에서 π⁰의 A_N는 0.0330 ± 0.0029 ± 0.0013로 측정되었으며, 200 GeV 데이터와 유사한 크기를 보여 이 영역에서 에너지 의존성이 약하다는 것을 시사한다.