[논문 리뷰] Spin Orbit Correlations and the Structure of the Nucleon

H. Avakian, B. Parsamyan외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 207인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 반응형 깊은 비탄성 산란(SIDIS) 데이터로부터 모델에 종속되지 않고 정밀하게 횡방향 운동량 의존성(TMD) 부분입자 분포함수와 분열함수를 추출할 수 있도록 하는 통합적 추출 및 검증 프레임워크(EVA)를 제안한다. 실험 데이터, 복사 보정, GEANT 기반 시뮬레이션, 그리고 입력 TMD들과의 반복적 검증을 통합함으로써, 체계적 불확실성에 대해 강건성을 확보하고 1차 순서를 초월한 3차원 핵구조 연구를 지원한다.

ABSTRACT

Extensive experimental measurements of spin and azimuthal asymmetries in various processes have stimulated theoretical interest and progress in studies of the nucleon structure. Interpretation of experimental data in terms of parton distribution functions, generalized to describe transverse momentum and spatial parton distributions, is one of the main remaining challenges of modern nuclear physics. These new parton distribution and fragmentation functions encode the motion and the position of partons and are often referred to as three-dimensional distributions describing the three-dimensional (3D) structure of the nucleon. Understanding of the production mechanism and performing phenomenological studies compatible with factorization theorems using minimal model assumptions are goals of analysis of the experimental data. HERMES and COMPASS Collaborations and experiments at Jefferson Lab have collected a wealth of polarized and unpolarized Semi-Inclusive Deep Inelastic Scattering (SIDIS) data. These data play a crucial role in current understanding of nucleon spin-phenomena as they cover a broad kinematical range. The Jefferson Lab 12 GeV upgrade data on polarized and unpolarized SIDIS will have remarkably higher precision at large parton fractional momentum $x$ compared to the existing data. We argue that both experimental and phenomenological communities will benefit from development of a comprehensive extraction framework that will facilitate extraction of 3D nucleon structure, help understand various assumptions in extraction and data analysis, help to insure the model independence of the experimental data and validate the extracted functions. In this review we present the latest developments in the field of the spin asymmetries and discuss different components involved in precision extraction of 3D partonic distribution and fragmentation functions.

연구 동기 및 목표

• 편극 및 비편극 SIDIS 데이터로부터 모델에 종속되지 않는 3차원(partonic) 구조 함수를 추출하는 데 도전하는 것.
• 시뮬레이션과 복사 보정을 통해 알려진 입력값과의 대조를 통한 TMD PDF 및 FF 추출의 체계적 프레임워크를 개발하는 것.
• 정밀한 SIDIS 측정에서 고차순위 효과, 복사 보정, 위상공간 제한으로 인한 체계적 불확실성을 줄이는 것.
• 제퍼슨 랩 12 GeV 및 전자-핵자 충돌기(Electron Ion Collider)에서의 향후 고정밀도 실험을 지원하기 위해 스핀-아이소트로ropic 비대칭성의 강력한 현상물리적 분석을 가능하게 하는 것.
• SIDIS, Drell-Yan, 및 $e^+e^-$와 같은 다양한 과정들 간의 TMD의 보편성 테스트를 통합된 데이터 분석 및 검증 프로토콜을 통해 촉진하는 것.

제안 방법

• EVA 프레임워크는 TMD 추출을 위한 실험적 보른 단면적 표본(EBC)을 입력으로 사용하며, 시뮬레이션과 동일한 세트를 사용해 복사 보정을 일관되게 적용한다.
• GEANT를 사용한 전방향 시뮬레이션 체인을 통해 추출된 TMD PDF 및 FF로부터 이벤트를 재구성하고, 실제 데이터와 비교하기 위한 EBC 표본을 생성한다.
• 이벤트 생성에 사용된 입력 TMD와 추출된 TMD를 비교함으로써 추출된 TMD의 일관성과 오차 추정을 보장한다.
• 예를 들어 $ ext{cos} heta$ 조절, $ ext{sin} heta_S$ 항, 또는 추출 과정에서 TMD 진화를 忽略하는 등의 가정을 테스트함으로써 체계적 오차 추정을 지원한다.
• 컴ponent 간의 데이터 흐름은 표준화된 JSON 파일을 통해 관리되어 실험 간의 모듈성과 재현 가능성을 보장한다.
• 더 넓은 현상물리적 응용과 모델 검증을 위해 기존 도구인 TMDlib 및 TMDplotter와의 통합을 고려하여 설계되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 SIDIS 데이터로부터 최소한의 모델 의존성으로 TMD 부분입자 분포함수와 분열함수를 추출할 수 있는가?
• RQ2 복사 보정, 고차순위 기여, 위상공간 제한 등의 체계적 영향 중 어떤 것이 TMD 추출의 정밀도에 가장 크게 영향을 미치는가?
• RQ3 EVA 프레임워크는 알려진 입력 분포와의 일관성에 대해 추출된 TMD의 일관성을 어느 정도 검증할 수 있는가?
• RQ4 통합된 분석 프레임워크를 통해 SIDIS, Drell-Yan, 및 $e^+e^-$와 같은 다양한 과정들 간의 TMD 보편성은 어떻게 테스트할 수 있는가?
• RQ5 특히 $ ext{cos} heta_h$ 및 $ ext{sin} heta_h$ 모멘트는 핵자 내 쿼크-글루온 상관관계를 드러내는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• EVA 프레임워크는 전체 시뮬레이션 체인을 통해 알려진 입력 분포와의 대조를 통해 모델에 종속되지 않는 TMD PDF 및 FF의 추출을 가능하게 하며, 결과의 검증을 보장한다.
• 피온 채널에서의 아연각 모멘트인 $ ext{cos} heta_h$ 및 $ ext{sin} heta_h$ 는 맛 의존성과 고차순위 기여를 보이며, 비정상적인 쿼크-글루온 상관관계를 시사한다.
• 복사 보정, 제한된 위상공간, 목표물 분열 영역 효과로 인한 체계적 불확실성은 정밀한 SIDIS 측정에서 매우 중요하며 반드시 고려되어야 한다.
• 예를 들어 $ ext{sin} heta_S$ 또는 $ ext{cos} heta_h$ 조절을 무시하는 등의 가정을 통제적으로 테스트할 수 있도록 함으로써, TMD 진화 및 보편성 연구를 지원한다.
• HERMES, COMPASS, 그리고 제퍼슨 랩 데이터의 비교는 $ ext{cos} heta_h$ 및 $ ext{sin} heta_h$ 모멘트의 고차순위 성격을 지지하며, 이들이 3차원 핵구조에서 중요한 역할을 한다는 것을 확인한다.
• TMDlib 및 TMDplotter를 EVA 프레임워크에 통합함으로써 현상물리적 TMD 모델의 확장 가능하고 재현 가능하며 상호작용 가능한 검증이 가능해졌다.