[논문 리뷰] Transverse target single-spin asymmetry in inclusive electroproduction of charged pions and kaons

The HERMES Collaboration, A. Airapetian외 130명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 50인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 DESY의 HERMES 실험을 통해 획득한 자료를 바탕으로, 획일적인 전자생산에서 양성자에서의 전하를 띤 파이온과 카이온 생성에 대한 횡방향 표적 단일스핀 비대칭(SSA)을 측정한다. $\rm sin\psi$-비대칭이 유의미하게 관측되었으며, $P_T \approx 0.8$ GeV에서 $K^+$에 대해 최대 0.08, $\pi^+$에 대해 최대 0.06의 큰 진폭을 보이며, 횡운동량에 의존하는 부분자 분포(TMD) 특히 Sivers 함수에 매우 민감함을 시사하며, 중성자 내에서 스핀-오비트 상관관계의 힌트를 제공한다.

ABSTRACT

Single-spin asymmetries were investigated in inclusive electroproduction of charged pions and kaons from transversely polarized protons at the HERMES experiment. The asymmetries were studied as a function of the azimuthal angle $ψ$ about the beam direction between the target-spin direction and the hadron production plane, the transverse hadron momentum relative to the direction of the incident beam, and the Feynman variable $x_F$. The $\sin(ψ)$ amplitudes are positive for positive pions and kaons, slightly negative for negative pions and consistent with zero for negative kaons, with particular transverse-momentum but weak $x_F$ dependences. Especially large asymmetries are observed for two small subsamples of events, where also the scattered electron was recorded by the spectrometer.

연구 동기 및 목표

• 횡방향으로 극화된 양성자에서의 전하를 띤 파이온과 카이온의 획일적인 전자생산에서 횡방향 표적 단일스핀 비대칭(SSA)을 측정한다.
• SSA의 아작각 $\psi$, 횡방향 하드론 운동량 $P_T$, 그리고 페인만 변수 $x_F$ 의 의존성을 조사한다.
• 고차수 효과와 횡운동량에 의존하는(TMD) 부분자 분포, 특히 Sivers 함수의 맥락에서 큰 SSA의 기원을 탐구한다.
• 특히 고 $z$ (하드론 에너지의 비율) 에서 관측된 비대칭을 형성하는 데서 배타적 및 준배타적 과정의 기여를 평가한다.

제안 방법

• DESY의 HERMES 실험을 활용하였으며, 이는 횡방향으로 극화된 수소 표적과 27.6 GeV의 전자 빔을 사용한다.
• 깊은 비탄성 산란(DIS) 및 준진실 광생산($Q^2 \approx 0$) 조건에서 전하를 띤 파이온($\pi^+, \pi^-$)과 카이온($K^+, K^-$)의 획일적인 전자생산을 측정하였다.
• 운동량 $P_T$ 와 $x_F$ 에서 비대칭 진폭의 이중 차원 분할을 수행하여 운동학적 의존성을 분리하였다.
• DIS ($Q^2 > 0$) 와 광생산 ($Q^2 \approx 0$) 운동역학 영역으로 나누어, $P_T$ 와 $x_F$ 에 따른 $\rm sin\psi$-비대칭 진폭을 추출하였다.
• 특히 Sivers 함수와 선호되는/억제되지 않은 분해 기여를 중심으로 TMD 분해 이론 모델과 결과를 비교하였다.
• 산산각 전자 탐지 자료를 포함한 부분표본을 분석하여, 고 $Q^2$ 및 배타적 과정 기여를 분리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 획일적인 전자생산에서 전하를 띤 파이온과 카이온 생성에 대한 횡방향 단일스핀 비대칭의 크기와 운동학적 의존성은 어떠한가?
• RQ2 비대칭은 횡방향 하드론 운동량 $P_T$ 와 페인만 변수 $x_F$ 에 따라 어떻게 변화하며, 이는 기초 부분자 역학에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 관측된 비대칭은 고차수 효과 또는 Sivers 함수와 같은 TMD 부분자 분포에 의해 어느 정도 설명될 수 있는가?
• RQ4 특히 고 $z$ 에서 배타적 또는 준배타적 과정이 관측된 비대칭에 상당한 기여를 할 수 있는가?
• RQ5 관측된 비대칭은 업 쿼크와 다운 쿼크의 Sivers 함수에 대한 현상학적 피팅 결과와 일치하는가?

주요 결과

• $\rm sin\psi$-비대칭 진폭은 양의 값을 가지며, $P_T \approx 0.8$ GeV에서 $\pi^+$에 대해 약 0.06, $K^+$에 대해 약 0.08의 최대값에 도달한다.
• $\pi^-$의 경우 비대칭 진폭은 약간의 음수이며, $K^-$의 경우 0에 가까운 값을 보이며, 이는 다른 분해 메커니즘을 시사한다.
• 비대칭 진폭은 낮은 $P_T$ 에서 0으로 시작하여 $P_T$ 가 증가함에 따라 부드럽게 증가하고, 약 $P_T \approx 0.8$ GeV에서 최고에 도달한 후 고 $P_T$ 에서 감소한다.
• $\pi^+$의 경우, $P_T$ 와 $x_F$ 를 동시에 분할한 분석에서 $x_F$ 에 대해 거의 독립적이지만, $P_T$ 분할 후 $P_T$ 의 의존성으로 인해 $x_F$ 의 명백한 의존성이 나타난다.
• $\pi^-$ 와 $K^+$ 의 경우, 이중 차원 추출에서 비대칭 진폭은 각각 $x_F$ 가 증가함에 따라 감소하고 증가한다.
• DIS 부분표본에서 $0.2 < z < 0.7$ 의 범위에서 매우 큰 비대칭이 관측되었으며, 특히 $\pi^+$ 와 $K^+$ 에서는 선호되는 쿼크 분해와 가능한 배타적 과정의 기여가 지배적임을 시사한다.