[논문 리뷰] Transverse single-spin asymmetries in proton-proton collisions at the AFTER@LHC experiment

Koichi Kanazawa, Y. Koike외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 30인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 제안된 AFTER@LHC 실험에서 양성자-양성자 충돌에서의 횡방향 단일스핀 비대칭(TSSAs)에 대한 이론적 예측을 제시한다. 편향된 파동함수와 TMD 형식론을 사용하여, π 중입자, 제트, 직접 광자 생성에서의 비대칭을 예측한다. π 중입자에서는 5–10%의 비대칭, 제트에서는 작지만 측정 가능한 값, 광자에서는 약 −5%의 음성 비대칭을 예측하며, 이는 CT3와 GPM 프레임워크를 구분하고 오랫동안 지속된 TSSA 기원의 부호 불일치 문제를 해결하는 깔끔한 탐사 수 Mittel이 된다.

ABSTRACT

We present results for transverse single-spin asymmetries in proton-proton collisions at kinematics relevant for AFTER, a proposed fixed-target experiment at the Large Hadron Collider. These include predictions for pion, jet, and direct photon production from analytical formulas already available in the literature. We also discuss specific measurements that will benefit from the higher luminosity of AFTER, which could help resolve an almost 40-year puzzle of what causes transverse single-spin asymmetries in proton-proton collisions.

연구 동기 및 목표

• AFTER@LHC 실험에 적합한 운동역학 조건에서 양성자-양성자 충돌에서의 횡방향 단일스핀 비대칭(TSSAs)에 대한 이론적 예측을 제공하는 것.
• 특히 Qiu-Sterman 함수와 Sivers 함수 간의 부호 불일치 문제로 인해 해결되지 않은 40년간의 TSSA 기원 수수께끼를 다루는 것.
• AFTER의 높은 루미너시티가 π 중입자, 제트, 직접 광자 생성에서 TSSAs를 더 정밀하게 측정할 잠재력을 평가하는 것.
• 분할 기여 없이 제트 및 광자 비대칭을 통해 Qiu-Sterman 함수를 깔끔하게 추출할 수 있도록 하는 것.
• 미래 데이터와 예측을 비교하여 타원형 콘텐츠 및 일반화된 구간 모델(GPM) 프레임워크의 타당성을 검증하는 것.

제안 방법

• 문헌에서 얻은 분석 공식을 사용하여, Qiu-Sterman 함수로 표현되는 타원형 3차 쿼크-글루온-쿼크 상관관계를 활용해 π 중입자, 제트, 직접 광자 생성에서의 TSSAs를 예측한다.
• Sivers, Collins, Boer-Mulders 함수를 포함한 전단형 운동량 의존성(TMD) 함수를 사용한 일반화된 구간 모델(GPM) 형식론을 적용한다.
• AFTER에 적합한 $\sqrt{S} = 115$ GeV 조건에서 $x_F$, $y$, $p_T$ 의 함수로 비대칭의 수치적 평가를 수행한다.
• 직접 광자 생성에서 분할 기여를 억제하기 위해 고립 조건을 도입하여 Qiu-Sterman 함수에 깔끔하게 접근할 수 있도록 한다.
• 소프트-글루온 다이폴(SGP) 메커니즘 외에도 소프트- fermion 다이폴(SFP) 및 삼중 글루온 함수 기여를 고려한다.
• Qiu-Sterman 함수의 입력으로 반사형 깊은 비탄성 산란(SIDIS)에서 추출한 Sivers 함수를 사용하여 과정 의존성의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Qiu-Sterman 함수만으로도 Sivers 함수와의 부호 불일치 문제 없이 π 중입자 생성에서 관측된 TSSA를 설명할 수 있는가?
• RQ2 AFTER에서 제트 및 직접 광자 비대칭은 분할 효과 없이 Qiu-Sterman 함수에 얼마나 깔끔하게 접근할 수 있는가?
• RQ3 AFTER에서 예측된 직접 광자 비대칭의 음성 부호는 타원형 3차(CT3) 프레임워크를 GPM 프레임워크(양성 비대칭 예측)와 구별하는 데 기여하는가?
• RQ4 AFTER의 높은 통계량 데이터는 큰 $x^\uparrow$ 영역에서 Sivers 함수의 불확실성을 해소하고 제트 생성에서 Qiu-Sterman 함수의 지배적 기여를 확인하는 데 기여할 수 있는가?
• RQ5 pQCD 예측과 같이, π 중입자 생성에서 고가의 횡방향 운동량($p_T \gtrsim 12$ GeV) 영역에서 TSSA가 평탄한가? 그리고 AFTER는 이러한 행동을 검증할 수 있는가?

주요 결과

• AFTER에서 π 중입자 생성의 TSSA는 $x_F$ 의 함수로 5–10% 범위로 예측되며, 고 $p_T$ 영역에서 느린 감쇠와 함께 $p_T \gtrsim 12$ GeV에서 평탄해지는 경향을 보인다.
• 제트 비대칭 $A_N^{jet}$ 는 매우 작지만, Sivers 함수의 불확실성과 SFP 및 삼중 글루온 기여로 인해 측정 가능한 신호가 가능할 수 있다.
• 직접 광자 비대칭 $A_N^{\gamma}$ 는 $y \sim -2$ 이며 $l_T = 3$ GeV에서 약 −5%로 예측되며, 더 음성인 $x_F$ 와 증가하는 $l_T$ 에 따라 감소한다. 이는 GPM 예측의 양성 비대칭과 대조된다.
• 음성 부호의 $A_N^{\gamma}$ 는 GPM에 비해 타원형 3차(CT3) 프레임워크를 지지하며, 두 형식론을 명확히 구별할 수 있는 깔끔한 시험 수 Mittel이 된다.
• AFTER의 높은 통계량은 더 음성인 $x_F$ 에서 $A_N^{jet}$ 의 더 정밀한 측정을 가능하게 하며, 이는 Qiu-Sterman 함수가 비대칭의 유일한 기여원인지 결정하는 데 핵심적이다.
• AFTER에서 광자 및 제트 관측량은 분할 기여 없이, π 중입자 데이터에서 발생하는 애매함을 해결할 수 있는 Qiu-Sterman 함수의 깔끔한 추출을 가능하게 한다.