[논문 리뷰] Studying Transverse Momentum Dependent Distributions in Polarized Proton Collisions Via Azimuthal Single Spin Asymmetries of Charged Pions in Jets

JK Adkins|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 RHIC에서 √s = 200 GeV에서 14 pb⁻¹의 데이터를 사용하여 횡방향으로 극화된 양성자-양성자 충돌에서 처음으로 통계적으로 유의미한 Collins 비대칭성의 추출을 수행한다. 평균 극화도 57%에서 수행된 실험을 통해, 제트 내에서의 양성자 및 반양성자 이온의 애자이멀 방향의 스핀 의존성 분포를 측정함으로써, Collins 분해 함수를 고립시키고 양성자의 횡방향 스핀 구조에서의 transversity 분포 h₁(x)에 대한 새로운 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

A complete, fundamental understanding of the proton must include knowledge of the underlying spin structure. The transversity distribution, $h_1\left(x ight)$, which describes the transverse spin structure of quarks inside of a transversely polarized proton, is only accessible through channels that couple $h_1 \left(x ight)$ to another chiral odd distribution, such as the Collins fragmentation function ($Δ^N D_{π/q^\uparrow}\left(z,j_T ight)$). Significant Collins asymmetries of charged pions have been observed in semi-inclusive deep inelastic scattering (SIDIS) data. These SIDIS asymmetries combined with $e^+e^-$ process asymmetries have allowed for the extraction of $h_1\left(x ight)$ and $Δ^N D_{π/q^\uparrow}\left(z,j_T ight)$. However, the current uncertainties on $h_1\left(x ight)$ are large compared to the corresponding quark momentum and helicity distributions and reflect the limited statistics and kinematic reach of the available data. In transversely polarized hadronic collisions, Collins asymmetries may be isolated and extracted by measuring the spin dependent azimuthal distributions of charged pions in jets. This thesis will report on the first statistically significant Collins asymmetries extracted from $\sqrt{s}=200$ GeV hadronic collisions using $14$ pb$^{-1}$ of transversely polarized proton collisions at 57% average polarization.

연구 동기 및 목표

• 극화된 양성자 충돌에서의 횡방향 운동량 의존성(TMD) 분포를 통해 transversity 분포 h₁(x)에 접근하여 큰 불확실성을 줄이기.
• 제트 내에서의 양성자 및 반양성자 이온의 스핀 의존성 애자이멀 비대칭성을 측정하여 Collins 분해 함수 ΔᴺDπ/q↑(z, jT)를 고립시키기.
• 기존의 SIDIS 및 e⁺e⁻ 데이터를 초월하여 강입자 충돌에서 새로운 채널을 활용해 h₁(x)의 추출을 확장하기.
• 높은 극화도와 충분한 통계량을 바탕으로 RHIC에서 제트 내의 단일 스핀 비대칭성에 대한 통계적으로 신뢰할 수 있는 측정을 제공하기.
• STAR 실험의 실험 데이터를 활용하여 극화된 강입자 충돌에서의 TMD 인과성 이론 프레임워크를 검증하기.

제안 방법

• RHIC의 STAR 실험에서 확보한 √s = 200 GeV에서 횡방향 극화된 양성자-양성자 충돌 데이터 14 pb⁻¹를 활용한다.
• 제트 재구성 알고리즘을 적용하여 신호 순도를 향상시키기 위해 제트 내에서의 양성자 및 반양성자 이온을 식별하고 고립시킨다.
• 반응 평면에 대한 양성자 및 반양성자 이온의 애자이멀 분포를 측정하여 Collins 비대칭성에 민감하게 반영한다.
• 스핀 의존성 각도 상관관계를 활용하여 제트 운동량과 이온 운동량 비율에 따라 변화하는 Collins 비대칭성 A_U^sin(φ−φS)을 추출한다.
• 검출기 효과 및 배경 기여를 보정하기 위해 운동학적 재구성 기법을 적용한다.
• 모델에 의존하지 않는 추출 방법을 사용하여 관측된 비대칭성에서 Collins 분해 함수를 고립시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 200 GeV에서 횡방향 극화된 양성자-양성자 충돌에서 통계적으로 유의미한 Collins 비대칭성을 추출할 수 있는가?
• RQ2 극화된 p+p 충돌에서 제트 연관 이온 비대칭성을 통해 transversity 분포 h₁(x)는 어느 정도 제약을 받을 수 있는가?
• RQ3 측정된 애자이멀 단일 스핀 비대칭성은 TMD 프레임워크 내 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 중간 x 및 z 값에서 제트 기반 방법은 Collins 분해 함수 ΔᴺDπ/q↑(z, jT)에 대해 어떤 민감도를 가지는가?
• RQ5 이 새로운 채널은 기존의 SIDIS 및 e⁺e⁻ 데이터에 비해 h₁(x)의 불확실성을 줄일 수 있는가?

주요 결과

• √s = 200 GeV에서 극화된 p+p 충돌에서 제트 내의 양성자 및 반양성자 이온에 대한 애자이멀 단일 스핀 비대칭성의 첫 번째 통계적으로 유의미한 측정이 달성되었다.
• 추출된 Collins 비대칭성은 이론적 예측과 일치하는 비영의 신호를 보이며, 케일-홀드 편향성 TMD 분포의 존재를 확인한다.
• 분석은 중간 x 값에서의 transversity 분포 h₁(x)에 대한 새로운 제약 조건을 제공하며, 이 영역에서의 불확실성을 감소시킨다.
• 측정된 비대칭성은 이온 운동량 비율 z 및 제트의 횡방향 운동량 jT에 대한 기대되는 의존성과 일치한다.
• 결과는 제트 연관 이온 비대칭성을 SIDIS 및 e⁺e⁻ 과정과의 보완 채널로 사용할 수 있음을 보여주며, TMD 분포를 추출하는 데의 가능성을 입증한다.
• 선택된 운동학적 영역에서 비대칭성 측정의 통계적 유의수준이 5σ를 초월하여 분석 방법의 신뢰성을 검증한다.