[논문 리뷰] SIDIS transverse spin azimuthal asymmetries at COMPASS: Multidimensional analysis

B. Parsamyan|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 22인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 COMPASS 실험에서 확보한 데이터를 이용해, 반응형 깊은 비탄성 산란(SIDIS)에서 횡방향 스핀의 아즈임투 대칭성에 대한 다차원 분석을 처음으로 수행하며, Sivers, Collins 및 기타 횡방향 스핀 분포에 대해 x-, z-, Q²-, 및 pT-의존성 대칭성을 추출한다. 주요 결과는 횡운동량에 의존하는(TMD) 구입분포함수(PDF)의 Q² 진화를 직접 검증할 수 있는 사전에 없던 입력 자료를 제공하며, Sivers 효과에 대한 가능한 Q² 의존성에 대한 첫 번째 증거와 A_UT^{sin(ϕ_S)} 및 A_LT^{cos(ϕ_h−ϕ_S)}에 대한 비영이 신호를 확인하였고, 나머지 대칭성은 모두 영이 되는 것으로 일치한다.

ABSTRACT

Exploration of transverse spin structure of the nucleon via study of the spin (in)dependent azimuthal asymmetries in semi-inclusive deep inelastic scattering (SIDIS) and Drell-Yan (DY) reactions is one of the main aspects of the broad physics program of the COMPASS experiment (CERN, Switzerland). In past decade COMPASS has collected a considerable amount of polarized deuteron and proton SIDIS data, while recent 2014 and 2015 runs were dedicated to the Drell-Yan measurements. Results on SIDIS azimuthal effects provided so far by COMPASS play an important role in general understanding of the three-dimensional nature of the nucleon. Giving access to the entire "twist-2" set of transverse momentum dependent (TMD) parton distribution functions (PDFs) and fragmentation functions (FFs) COMPASS data are being widely used in phenomenological analyses and experimental data fits. Recent unique and first ever x-$Q^{2}$-z-pT multidimensional results for transverse spin asymmetries obtained by COMPASS serve as a direct and unprecedented input for one of the hottest topics in the field of spin-physics: the TMD $Q^{2}$-evolution related studies. In addition, extraction of the Sivers and all other azimuthal effects from first ever polarized Drell-Yan data collected recently by COMPASS will reveal another side of the spin-puzzle clarifying the link between SIDIS and Drell-Yan branches. This will be a unique possibility to test predicted universality and key-features of TMD PDFs using essentially the same experimental setup and exploring the same kinematical domain. In this review main focus will be given to the very recent results from COMPASS multi-dimensional analysis of transverse spin asymmetries and to the physics aspects of COMPASS polarized Drell-Yan program.

연구 동기 및 목표

• 고정밀 COMPASS 데이터를 이용해 SIDIS에서 횡방향 스핀 대칭성에 대한 종합적이고 다차원적인 분석을 수행하기 위해.
• 단일 실험에서 Sivers, Collins 및 기타 횡방향 스핀 효과에 대해 x-, z-, Q²-, 및 pT-의존성 분포를 처음으로 추출하기 위해.
• 횡운동량에 의존하는(TMD) 구입분포함수(PDF)의 Q² 진화를 직접 검증하기 위한 입력 자료를 제공하기 위해.
• 동일한 실험 설정을 통해 SIDIS와 Drell-Yan 과정 간 직접 비교를 가능하게 하여 TMD PDF의 보편성을 검증하기 위해.
• Sivers 함수의 부호 변화를 탐색하고, 첫 번째로 극화된 Drell-Yan 데이터 분석을 통해 TMD 진화의 핵심 특징을 검증하기 위해.

제안 방법

• 사용된 다차원 복원 기법은 x, z, Q², 및 pT의 네 차원 단계 공간에서 대칭성을 추출하기 위해 적용되었다.
• 분석은 횡방향 목표 극화가 실험 프레임에서 측정된, COMPASS의 양성자 및 중수소의 전체 SIDIS 데이터 세트를 사용하였다.
• 이론적 단면적 식은 모든 가능한 스핀 의존 항을 2차 테이블까지 포함하여, Sivers, Collins 및 TMD 분해형 효과를 포함한 아즈임투 분포를 모델링하는 데 사용되었다.
• 대칭성은 3차원 및 4차원 격자에서 추출되었으며, Sivers 및 Collins 효과에 대한 Q² 의존성에 특별한 주의를 기울였다.
• 3차원 구성에서 A_UT^{sin(ϕ_S)} 및 A_LT^{cos(ϕ_h−ϕ_S)}의 첫 번째 추출이 이루어졌고, 이는 이론적 예측과의 비교를 포함하였다.
• 향후 COMPASS에서의 첫 번째 극화된 Drell-Yan 데이터와의 비교를 통해 TMD PDF의 보편성을 검증할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SIDIS에서 Sivers 및 Collins 횡방향 스핀 대칭성의 Q² 의존성은 무엇이며, TMD 진화에 대한 이론적 예측과 일치하는가?
• RQ2 Sivers 및 Collins 효과가 다양한 x, z, 및 pT 구간에서 비영임이 관측되었는가? 그 크기는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 A_UT^{sin(ϕ_S)} 대칭성은 비영이며, Wandzura-Wilczek 근사에 의해 Sivers 및 Collins 메커니즘과 연관될 수 있는가?
• RQ4 A_LT^{cos(ϕ_h−ϕ_S)} 대칭성은 유일하게 유의미한 双스핀 대칭성인가? 이는 이론적 예측과 일치하는가?
• RQ5 동일한 실험에서의 향후 극화된 Drell-Yan 데이터와 비교할 때 SIDIS 결과는 TMD PDF의 보편성을 검증하는 데 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 양성자에 대해 Sivers 대칭성은 전 구간의 x 범위에서 크고 명확한 신호를 보이며, 특히 고z 영역에서 Q² 의존성이 감소하는 경향이 관측된다.
• 음성자에 대해서는 Sivers 신호가 덜 명확하지만, 저x 영역에서는 가능한 음성 효과가 관측되고, 고x 및 고Q² 영역에서는 양성 효과를 보이며, 이는 복잡한 x- 및 Q²-의존적 구조를 시사한다.
• Collins 대칭성은 양성자와 음성자 간에 명확한 거울 행동을 보이며, z 및 pT가 증가함에 따라 크기가 증가하지만, 명확한 Q² 의존성은 보이지 않는다.
• A_UT^{sin(ϕ_S)} 대칭성은 양성자 및 음성자 모두에서 고z 영역에서 비영이면서 크기가 크며, 이는 비자명한 스핀-오르빗 상관관계를 시사한다.
• A_LT^{cos(ϕ_h−ϕ_S)} 대칭성은 통계적으로 유의미한 유일한 이중스핀 대칭성으로 확인되었으며, 이론적 예측 [18]과 양호한 일치를 보였다.
• 나머지 네 개의 대칭성(A_UT^{sin(3ϕ_h−ϕ_S)}, A_UT^{sin(ϕ_h−ϕ_S)}, A_UT^{sin(2ϕ_h−ϕ_S)}, A_UT^{sin(ϕ_h+ϕ_S)})은 통계적 불확도 내에서 영과 일치하며, 이론적 기대와 일치한다.