[논문 리뷰] Spectator-Tagged Deeply Virtual Compton Scattering on Light Nuclei

W. Armstrong, J. Arrington외 54명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 02.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions참고 문헌 29인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 CLAS12 검출기와 저에너지 반동 트래커(ALERT)를 사용하여 경핵소에서의 관찰자 태그된 깊이 가상 콜로맥스 산란(DVCS) 측정을 제안한다. 관찰자 핵을 태그함으로써, 유한한 상태 상호작용, 페르미 운동, 비온-쉘 효과를 고립하고 체계적으로 연구함으로써, 일반화된 구간 분포(GPDs)와 중성자의 비순환 EMC 효과를 깔끔하게 탐사할 수 있다.

ABSTRACT

The three-dimensional picture of quarks and gluons in the proton is set to be revealed through Deeply virtual Compton scattering while a critically important puzzle in the one-dimensional picture remains, namely, the origins of the EMC effect. Incoherent nuclear DVCS, i.e. DVCS on a nucleon inside a nucleus, can reveal the 3D partonic structure of the bound nucleon and shed a new light on the EMC effect. However, the Fermi motion of the struck nucleon, off-shell effects and final-state interactions (FSIs) complicate this parton level interpretation. We propose here a measurement of incoherent DVCS with a tagging of the recoiling spectator system (nucleus A-1) to systematically control nuclear effects. Through spectator-tagged DVCS, a fully detected final state presents a unique opportunity to systematically study these nuclear effects and cleanly observe possible modification of the nucleon's quark distributions. We propose to measure the DVCS beam-spin asymmetries (BSAs) on $^4$He and deuterium targets. The reaction $^4$He$(e,e^{\prime}γ\,p\,^3$H$)$ with a fully detected final state has the rare ability to simultaneously quantify FSIs, measure initial nucleon momentum, and provide a sensitive probe to other nuclear effects at the parton level. The DVCS BSA on a (quasi-free) neutron will be measured by tagging a spectator proton with a deuteron target. Similarly, a bound neutron measurement detects a spectator $^3$He off a $^4$He target. These two observables will allow for a self-contained measurement of the neutron off-forward EMC Effect.

연구 동기 및 목표

• 비균형 DVCS 동안 유한한 상태 상호작용(FSIs), 페르미 운동, 비온-쉘 효과를 고립하고 체계적으로 연구하기 위해.
• 데우테론 타겟에서 준자유 중성자와 4He에서의 결합 중성자에 대한 DVCS의 비틀림 대칭성(BSA)을 측정하여 중성자의 비순환 EMC 효과를 자가 일관된 탐사가 가능하게 하기 위해.
• 배타적 DVCS와 φ 메손 생성을 통해 4He 핵의 쿼크 및 글루온 분포의 모델 독립적인 3차원 톰그래피를 실현하기 위해.
• 최종 상태를 완전히 탐지함으로써 핵의 구조 측정에서의 모호함을 줄이기 위해, 반동 관찰자 핵까지 포함한다.
• 고광도, 고스핀 극화 전자 비임을 이용하여 기존 이론 모델의 매개변수 분포를 校정하고 검증하기 위해.

제안 방법

• 3 atm에서 11 GeV의 종방향 극화 전자 비임(80% 극화)을 사용하여 기체 델타륨 및 4He 타겟에 조사하여 최대 6×10³⁴ cm⁻²s⁻¹의 루미노시티를 확보한다.
• CLAS12 솔레노이드 자석 내부에 저에너지 반동 트래커(ALERT)를 구현하여, 낮은 운동량의 반동 핵을 최소한의 물질 예산으로 탐지한다. ALERT는 스테레오 드리프트 챔버와 색소스터 액체로 구성된다.
• 반동 관찰자 핵(예: 4He(e,e′γp³H)에서의 ³H)을 태그하여 초기 상태의 운동량을 복원하고, 타격당한 양성자의 비온-쉘 성격을 식별한다.
• 완전히 배타적인 최종 상태를 측정한다: e + A → e′ + γ + A′, 전자, 광자, 반동 핵의 전부를 재구성한다.
• 비틀림-홀드 일반화된 구간 분포(GPDs)에 접근하기 위해 비틀림 대칭성(BSAs)을 사용한다. 특히 중성자에 대해.
• 운동량 재구성 및 입자 식별을 적용하여, 파artonic 구조 내에서의 유한한 상태 상호작용과 핵 효과 기여를 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 상태 상호작용(FSIs)은 경핵소에서 비균형 DVCS에서 관측된 비틀림 대칭성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 결합된 양성자 내에서의 페르미 운동과 비온-쉘 효과는 일반화된 구간 분포(GPDs)의 해석을 어느 정도 왜곡하는가?
• RQ3 4He와 데우테론에서의 관찰자 태그된 DVCS는 중성자의 비순환 EMC 효과를 깔끔하고 자가 일관된 측정으로 제공할 수 있는가?
• RQ4 배타적 DVCS를 통해 4He 핵의 횡방향 크기에 기여하는 쿼크와 글루온 분포의 상대 기여는 무엇인가?
• RQ5 핵 매질 효과는 결합된 양성자와 중성자의 GPDs에 어떻게 나타나며, 이는 유한한 상태 상호작용과 분리 가능한가?

주요 결과

• 제안된 실험은 관찰자 태그된 DVCS를 경핵소에서 처음으로 완전히 배타적으로 측정할 수 있으며, 반동 관찰자 핵까지 포함한 최종 상태를 완전히 재구성한다.
• 반동 핵을 태그함으로써, 초기 양성자의 운동량 분포를 직접 측정할 수 있으며, 페르미 운동으로 인한 모호함을 줄일 수 있다.
• 데우테론 타겟에서 준자유 중성자에 대한 비틀림 대칭성(BSA)은 중성자의 비순환 GPDs와 비순환 EMC 효과를 깔끔하게 탐사할 수 있다.
• 4He의 경우, ³H 반동을 태그함으로써 결합된 중성자의 파artonic 구조를 자가 일관된 방식으로 측정할 수 있으며, 핵 모델 의존도를 최소화할 수 있다.
• ALERT 검출기는 배경 제거 효율성이 높으면서도 낮은 물질 예산을 유지할 것으로 기대되어, 저에너지 반동 핵을 탐지하는 데 핵심적이다.
• 4He에서 최대 6×10³⁴ cm⁻²s⁻¹, 데우테론에서 최대 3×10³⁴ cm⁻²s⁻¹의 제안된 루미노시티는 희귀한 배타적 최종 상태의 고통계 측정을 가능하게 한다.