[논문 리뷰] Single spin asymmetries in transversely polarized proton(antiproton) - proton inclusive processes

M. Anselmino, F. Murgia|arXiv (Cornell University)|1998. 08. 26.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions인용 수 61

한 줄 요약

이 논문은 $p^\uparrow p$ 및 $\bar{p}^\uparrow p$ 포함 과정에서 큰 단일 스핀 비대칭성(SSA)을 설명하기 위해 내재된 횡방향 운동량($\mathbf{k}_\perp$)과 스핀에 의존하는 쿼크 분포 함수($\Delta_N f$)를 포함하는 고차-twist QCD 프레임워크를 제안한다. $p^\uparrow p \to \pi X$ 데이터로 고정된 매개변수를 사용하여, $\gamma$, $K^\pm$, 및 $K^0_S$ 생성에 대한 SSA를 예측하며, 특히 중성 카이온의 경우 분산 함수 집합에 매우 민감하게 의존함을 보이며, 쿼크 해와 값스의 기여를 구분할 수 있는 검증 가능한 서명을 제공한다.

ABSTRACT

We consider several single spin asymmetries in inclusive, transversely polarized proton(antiproton) - proton processes as higher twist QCD contributions, taking into account spin and intrinsic transverse momentum effects in the quark distribution functions. This approach has been previously applied to the description of the single spin asymmetries observed in transversely polarized proton - proton -> pion + X reactions and all its parameters fixed: we give here predictions for new processes, which agree with experiments for which data are available, and suggest further possible measurements.

연구 동기 및 목표

• 이전에 $p^\uparrow p \to \pi X$에 대해 피팅된 $\mathbf{k}_\perp$- 및 스핀에 의존하는 쿼크 분포 함수($\Delta_N f$)를 확장하여 새로운 포함 과정에서의 SSA를 예측하는 것.
• 고차-twist QCD 프레임워크의 일관성과 보편성을 다양한 최종 상태(파이온, 광자, 카이온 포함)에 걸쳐 테스트하는 것.
• SSA 예측이 값스 대비 해 쿼크의 기여 비율에 따라 어떻게 민감하게 변하는지 평가하는 것.
• 미래 실험을 위한 검증 가능한 예측을 제공하며, 특히 $K^0_S$ 생성에 대해 쿼크 해와 값스의 기여를 구분할 수 있도록 하는 것.
• 고에너지 강입자 충돌에서 다른 가능한 SSA 메커니즘과 구별하여 내재된 $\mathbf{k}_\perp$ 및 스핀 효과의 역할을 분리하는 것.

제안 방법

• 고차-twist 기여를 포함하는 QCD 요약 프레임워크를 적응하여, 초기 상태에 스핀 및 $\mathbf{k}_\perp$-의존성 파arton 분포 함수($\Delta_N f$)를 포함한다.
• 이전에 $p^\uparrow p \to \pi X$ 데이터에 피팅된 현상학적 $\Delta_N f$ 표현식을 사용하며, 새로운 과정에 대해 추가 조정 없이 모든 매개변수를 고정한다.
• 같은 수식 체계를 사용하여 $\bar{p}^\uparrow p \to \pi X$, $p^\uparrow p \to \gamma X$, 및 $p^\uparrow p \to K X$의 SSA를 계산하며, 미분 단면적 차이 $A_N = (d\sigma^\uparrow - d\sigma^\downarrow)/(d\sigma^\uparrow + d\sigma^\downarrow)$를 활용한다.
• 카이온에 대해 다양한 분산 함수(FF) 피팅 집합—BKK1, BKK2, BKK3, BKK4—를 사용하여 $A_N$ 이 FF의 구조에 얼마나 민감한지 평가한다.
• 전하 켤레 대칭성을 적용하여 $\gamma$ 및 카이온 생성에 대해 $p^\uparrow p$와 $\bar{p}^\uparrow p$ 결과를 연결한다.
• 특히 큰 $x_F$ 영역에서 수치적 평가를 수행하여 예측치를 기존 실험 데이터 및 이론적 기대치와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정된 $\mathbf{k}_\perp$ 및 스핀에 의존하는 분포 함수 $\Delta_N f$가 $p^\uparrow p \to \pi X$ 데이터로 고정되었을 때, 추가 매개변수 없이 $\bar{p}^\uparrow p \to \pi X$ 및 $p^\uparrow p \to \gamma X$의 SSA를 정량적으로 예측할 수 있는가?
• RQ2 카이온 생성($K^\pm$, $K^0_S$)에 대한 예측된 SSA는 분산 함수 피팅 집합의 선택에 얼마나 민감한가, 특히 값스 대비 해 쿼크의 기여 비율에 대해 어떻게 되는가?
• RQ3 $K^0_S$ 생성에 대한 SSA는 분산 함수 집합에 강하게 의존하는가, 그리고 서로 다른 FF 모델을 구분하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ4 특히 큰 $x_F$ 영역에서, $p^\uparrow p \to K X$ SSA에 대한 이상 쿼크 분포(예: $I_{+-}$)의 기여는 무엇이며, 그 기여는 유의미한가?
• RQ5 모델은 $\mathbf{k}_\perp$에 기인한 SSA 메커니즘을 다른 제안된 메커니즘들(예: 글루온 다항극, 궤도 운동량)과 과정에 따라 특화된 예측을 통해 구별할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 추가 매개변수 없이 $\bar{p}^\uparrow p \to \pi X$ 및 $p^\uparrow p \to \gamma X$ 과정의 SSA를 성공적으로 예측하며, 후자의 경우 큰 불확도에도 불구하고 기존 실험 데이터와 양호한 일치를 보인다.
• $p^\uparrow p \to K^\pm X$ 과정에서 모델은 실험 관측치와 일치하는 큰 SSA를 예측하며, 큰 $x_F$ 영역에서 $A_N(K^+ + K^-)$가 $A_N(K^+)$에 수렴함을 보여주며, 값스 쿼크 지배의 기대에 부합한다.
• $K^0_S$ 생성에 대한 SSA는 분산 함수 피팅 집합에 매우 민감하게 의존한다: 값스 쿼크 기여를 강조하는 모델은 $A_N \sim A_N(K^+)$와 일치하는 결과를 내놓지만, 해 쿼크 기여가 큰 모델은 부호를 반전하거나 크기를 변화시켜, FF 집합을 검증하는 청명한 시험으로 기능한다.
• 큰 $x_F$ 영역에서 $K^0_S$ 생성에 대한 이상 쿼크 기여는 해 쿼크 분포의 급격한 감쇠로 인해 무시할 수 없을 정도로 작으며, 따라서 값스 쿼크 효과가 지배적이다.
• 모델의 $A_N(K^0_S)$ 예측은 다양한 FF 집합에 대해 강건하고 뚜렷하게 구별되며, 이는 이 비대칭성 측정이 서로 경쟁하는 분산 함수 피팅 모델을 직접적으로 구분할 수 있음을 시사한다.
• 이 프레임워크는 여러 과정에 걸쳐 일관되고 현상학적으로 타당한 SSA 기술을 제공하며, 고에너지 포함 강입자 생성에서 내재된 $\mathbf{k}_\perp}$ 및 스핀에 의존하는 파arton 분포 함수가 주요 메커니즘임을 지지한다.