[논문 리뷰] STAR results and perspectives on transverse spin asymmetries

N. Poljak|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 RHIC에서의 전방 $π^0$ 생성에서 큰 횡방향 단일스핀 비대칭의 기원을 분석함으로써, 극화된 양성자 충돌에서 $π^0$ 메손과 '제트 유사' 물체 간의 상관관계를 조사한다. STAR의 포워드 파이온 디텍터++(FPD++)를 사용하여, $\pi^0$와 제트 유사 물체 사이의 겉보기 각도($\gamma$)를 측정함으로써 사이버스 효과를 분리하였으며, 콜린스 효과는 유의미한 기여가 없음을 확인하여 관측된 비대칭에서 사이버스 분포함수의 기여가 지배적임을 시사한다.

ABSTRACT

The STAR collaboration reported precision measurements on the transverse single spin asymmetries for the production of forward $π^0$ mesons from polarized proton collisions at $\sqrt{s}=$ 200 GeV. To disentangle contributions to measured forward asymmetries one has to look beyond inclusive $π^0$ production to the production of forward jets or direct photons. In 2006, STAR with the Forward Pion Detector++ (FPD++) in place, collected 6.8 pb$^{-1}$ of forward data with an average polarization of 60%. FPD++ had sufficient acceptance for "jet-like" objects, which are clustered responses of an electromagnetic calorimeter primarily sensitive to incident photons, electrons and positrons. For these objects, the angle of the outgoing leading $π^0$ with respect to the fragmenting parton was reconstructed, thus enabling us to disentangle the contributions to the forward $π^0$ asymmetries. The simulated data set shows that on average there are approximately 2.5 fragmenting mesons per one "jet-like" object, making them reasonably "jetty". Preliminary results provide no evidence of measured contributions to the asymmetry from jet fragmentation, implying the Sivers distribution functions play a substantial role in producing the large inclusive forward $π^0$ asymmetries. A similar effort was made in the mid-rapidity $(|η|<1)$ region of the STAR detector, where 2.2 pb$^{-1}$ of data was collected. We present progress made by making measurements of the azimuthal asymmetry of leading charged pions in jets produced by transversely polarized proton collisions.

연구 동기 및 목표

• 전방 $π^0$ 생성에서 큰 횡방향 단일스핀 비대칭에 기여하는 사이버스 효과와 콜린스 효과의 기여를 분리하는 것.
• 관측된 비대칭이 초기 상태의 횡방향 운동량 분포(Sivers)인지, 또는 최종 상태의 분해형성(Collins) 효과인지 확인하는 것.
• 전자기 칼로리미터 반응으로부터 재구성한 '제트 유사' 물체를 이용하여, $\pi^0$ 생성의 각도 의존성과 분해형성 파arton에 대한 상관관계를 탐색하는 것.
• 고에너지 양성자-양성자 충돌에서 횡방향 운동량 의존성(TMD) 파arton 분포에 대한 이해를 향상시키는 것.
• 전방 빠르도피티 영역($\langle\eta\rangle \approx 3.3$)과 중간 빠르도피티 영역($|\eta|<1$)에서 정밀 측정을 통해 사이버스 분포함수에 대한 제약 조건을 제공하는 것.

제안 방법

• STAR의 포워드 파이온 디텍터++(FPD++)를 사용하여, $\sqrt{s} = 200$ GeV에서 평균 양성자 극화도 60%로 6.8 pb$^{-1}$의 데이터를 수집하였다.
• '제트 유사' 물체는 주로 광자, 전자, 양전자에 민감한 전자기 칼로리미터의 군집 반응으로 식별되었다.
• '제트 유사' 물체의 스루스트 축과 주요 $\pi^0$ 사이의 각도 $\gamma$를 재구성하여 스핀에 의존하는 겉보기 각도 상관관계를 탐색하였다.
• 검출기 효과를 최소화하기 위해 검출기 모듈의 기하 평균을 사용한 교차비율 공식을 적용하여 비대칭 $A_N(\gamma)$를 계산하였다.
• 사건 운동량 및 검출기 반응을 모델링하기 위해 PYTHIA 6.222와 GEANT 시뮬레이션을 사용하였으며, 디지타이제이션 및 재구성 과정은 데이터 처리 방식과 일치시켰다.
• 중간 빠르도피티 분석을 위해, TPC 트랙과 EMC 타워에서의 제트 재구성을 위해 중점 원추 알고리즘을 적용하였으며, $p_T > 10$ GeV 및 원추 반경 $R = 0.7$ 조건을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 전방 $\pi^0$ 횡방향 단일스핀 비대칭이 주로 사이버스 효과에 의해 결정되는가, 아니면 콜린스 효과에 의해 결정되는가?
• RQ2 제트 유사 물체에 대한 $\pi^0$ 생성의 겉보기 각도 의존성이 콜린스 메커니즘에 일치하는 서명을 보이는가?
• RQ3 '제트 유사' 물체의 다중성 및 운동량 특성 측면에서 실제 제트와 얼마나 유사한가?
• RQ4 전방 및 중간 빠르도피티 영역에서의 비대칭은 어떻게 비교되며, TMD 파arton 분포함수에 대해 어떤 함의를 지니는가?
• RQ5 $\gamma$-각도 의존성에 의해 초기 상태(Sivers)와 최종 상태(Collins)의 스핀-오르빗 상관관계를 어떻게 구별할 수 있는가?

주요 결과

• 전방 영역에서 비대칭의 $\gamma$-각도 의존성은 유의미한 기울기를 보이지 않아 콜린스 효과 기여가 측정 가능하지 않음을 시사한다.
• 전방 $x_F > 0$ 영역에서 측정된 비대칭은 1$\sigma$ 수준에서 유의미하게 양수이며, $\cos(\gamma)$에 대해 독립적이어서 사이버스 효과가 주요 기여원임을 지지한다.
• 시뮬레이션된 '제트 유사' 물체는 평균적으로 각 물체당 2.5개의 분해형성 메손을 포함하여, 제트 특성을 잘 반영하고 있으며 TMD 분석에 적합함을 확인한다.
• 스핀 평균 $\gamma$ 분포는 물리적 기여가 아닌 검출기 수용각에 의해 결정되며, 수용각을 제한할수록 $\chi^2$가 감소함으로써 이를 입증하였다.
• 중간 빠르도피티 영역에서의 충전된 π 메손의 겉보기 각도 분포 분석은 큰 불확실성을 보였지만, 향후 통계량 증가와 분석 방법 개선으로 개선이 기대된다.
• 이론적 추정에 따르면, 이소스핀 대칭으로 인해 $\pi^0$의 콜린스 분해형성 함수 기여가 무시할 수 있을 정도로 작아, 콜린스 효과에 대한 영구 결과를 지지한다.