[논문 리뷰] Spin density matrix elements in exclusive $\omega$ electroproduction on $\mathrm{^1 H}$ and $\mathrm{^2 H}$ targets at 27.5 GeV beam energy

The HERMES Collaboration, A. Airapetian외 98명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 01.

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한 줄 요약

이 연구는 HERMES 데이터를 사용하여 27.5 GeV 비틀림 에너지에서 수소 및 중수소 표적에서 배제적 ω 전자생성에서 스핀 밀도 행렬 원소(SDMEs)를 처음으로 추출한다. 비자연스러운 펄스성 교환 진폭의 기여가 뚜렷하게 드러나며, 자연스러운 펄스성 채널보다 γ∗T→ωT 전이가 지배적임을 보이며, 가상 포톤의 종방향 대 횡방향 단면적 비율 R = 0.25 ± 0.03 ± 0.07를 측정하여 Q2에 대한 약한 의존성과 s채널 스핀 보존의 강한 위반을 시사한다.

ABSTRACT

Exclusive electroproduction of $ω$ mesons on unpolarized hydrogen and deuterium targets is studied in the kinematic region of Q$^2$>1.0 GeV$^2$, 3.0 GeV < W < 6.3 GeV, and -t'< 0.2 GeV$^2$. Results on the angular distribution of the $ω$ meson, including its decay products, are presented. The data were accumulated with the HERMES forward spectrometer during the 1996-2007 running period using the 27.6 GeV longitudinally polarized electron or positron beam of HERA. The determination of the virtual-photon longitudinal-to-transverse cross-section ratio reveals that a considerable part of the cross section arises from transversely polarized photons. Spin density matrix elements are presented in projections of Q$^2$ or -t'. Violation of s-channel helicity conservation is observed for some of these elements. A sizable contribution from unnatural-parity-exchange amplitudes is found and the phase shift between those amplitudes that describe transverse $ω$ production by longitudinal and transverse virtual photons, $γ^{*}_{L} o ω_{T}$ and $γ^{*}_{T} o ω_{T}$, is determined for the first time. A hierarchy of helicity amplitudes is established, which mainly means that the unnatural-parity-exchange amplitude describing the $γ^*_T o ω_T$ transition dominates over the two natural-parity-exchange amplitudes describing the $γ^*_L o ω_L$ and $γ^*_T o ω_T$ transitions, with the latter two being of similar magnitude. Good agreement is found between the HERMES proton data and results of a pQCD-inspired phenomenological model that includes pion-pole contributions, which are of unnatural parity.

연구 동기 및 목표

• 고에너지에서 균형 1H 및 2H 표적에서 스핀 밀도 행렬 원소(SDMEs)를 배제적 ω 전자생성에서 측정하기.
• ω 메손 생성에서 s채널 스핀 보존 가정을 검증하기.
• 자연스러운 펄스성 교환(NPE) 및 비자연스러운 펄스성 교환(UPE) 진폭의 상대 기여를 결정하기.
• 가상 포톤의 종방향 대 횡방향 단면적 비율 R과 그 운동량 의존성을 추출하기.
• γ∗L→ωT 및 γ∗T→ωT 전이에 대한 UPE 진폭 간의 위상 이lique를 처음으로 측정하기.

제안 방법

• 27.6 GeV 종방향 균형 전자/양전자 비틀림 빔을 사용하여 HERMES 전방 스펙트로미터에서 데이터를 수집하였다.
• ω 메손 및 그 붕괴 제품의 각도 분포에서 15개의 균형되지 않은 및 8개의 균형된 SDMEs를 추출하기 위해 비구속 최대우도 방법을 사용하였다.
• SDMEs는 가상 포톤과 ω 메손 간의 다양한 스핀 전이에 해당하는 다섯 개의 클래스로 분석되었다.
• SDMEs r11 및 r21를 사용하여 가상 포톤의 종방향 대 횡방향 단면적 비율 R을 추출하였다.
• SDME r21의 허수부를 통해 UPE 진폭 간의 위상 이lique를 결정하였다.
• 피온-폴 기여를 포함한 pQCD 기반의 현상학적 모델을 데이터와 비교하기 위해 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 배제적 ω 전자생성에서 s채널 스핀 보존은 어느 정도 위반되는가?
• RQ2 ω 생성에 기여하는 비자연스러운 펄스성 교환(UPE) 진폭과 자연스러운 펄스성 교환(NPE) 진폭의 상대 기여는 얼마인가?
• RQ3 ω 전자생성에서 종방향 대 횡방향 가상 포톤 단면적 비율 R은 Q2에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 γ∗L→ωT 및 γ∗T→ωT 전이를 기술하는 UPE 진폭 간의 위상 이lique는 얼마인가?
• RQ5 피온-폴 기여를 포함한 pQCD 기반 모델은 HERMES의 ω 전자생성 데이터를 잘 기술하는가?

주요 결과

• 가상 포톤의 종방향 대 횡방향 단면적 비율 R는 R = 0.25 ± 0.03 ± 0.07로 측정되었으며, Q2에 대한 의존성이 매우 약하여 ρ0 메손과는 대조된다.
• s채널 스핀 보존 위반은 클래스-C SDME r500과 γ∗L→ωT 전이에 대한 클래스-D SDMEs에서 관측되었다.
• γ∗T→ωT 전이에 대한 UPE 진폭이 γ∗L→ωL 및 γ∗T→ωT 전이에 대한 NPE 진폭보다 지배적이며, |U11|2 > |T11|2임을 보였다.
• 수소에서의 전단 및 중수소에서의 전단에 대해 UPE 대 NPE 횡단면적 비대칭도 P = −0.42 ± 0.06 ± 0.08 및 P = −0.64 ± 0.07 ± 0.12로 측정되었다.
• γ∗T→ωT 전이에 대한 UPE 진폭 U11과 γ∗L→ωT 전이에 대한 UPE 진폭 U10 간의 위상 이lique가 처음으로 결정되었다.
• 피온-폴 기여(비자연스러운 펄스성)를 포함한 pQCD 기반 모델과 HERMES 수소 데이터 사이에 양호한 일치가 관측되었다.