[논문 리뷰] First observation of correlations between spin and transverse momenta in back-to-back dihadron production at CLAS12

H. Avakian, T. B. Hayward외 154명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 조지타운 랩의 CLAS12 분광계를 사용하여 깊은 비탄성 산란를 통한 백터-백터 이핵입 생성에서 스핀-횡방향 운동량 상관관계의 최초 관측을 보고한다. 종방향으로 극화된 전자 빔을 비극화된 수소핵 표적에 조사하여, ep → e′pπ⁺X 사건에서 비영인 비틀림 비대칭을 측정하였으며, 이는 이핵입 생성에서 주요 스케일의 스핀 및 횡방향 운동량에 의존하는 파손 함수에 대한 최초의 실험적 접근을 제공한다.

ABSTRACT

We report the first measurements of deep inelastic scattering spin-dependent azimuthal asymmetries in back-to-back dihadron electroproduction, where two hadrons are produced in opposite hemispheres along the z-axis in the center-of-mass frame, with the first hadron produced in the current-fragmentation region and the second in the target-fragmentation region. The data were taken with longitudinally polarized electron beams of 10.2 and 10.6 GeV incident on an unpolarized liquid-hydrogen target using the CLAS12 spectrometer at Jefferson Lab. Observed non-zero $\sin\Delta\phi$ modulations in $ep ightarrow e'p\pi^+X$ events, where $\Delta\phi$ is the difference of the azimuthal angles of the proton and pion in the virtual photon and target nucleon center-of-mass frame, indicate that correlations between the spin and transverse momenta of hadrons produced in the target- and current-fragmentation regions may be significant. The measured beam-spin asymmetries provide a first access in dihadron production to a previously unobserved leading-twist spin- and transverse-momentum-dependent fracture function. The fracture functions describe the hadronization of the target remnant after the hard scattering of a virtual photon off a quark in the target particle and provide a new avenue for studying nucleonic structure and hadronization.

연구 동기 및 목표

• 깊은 비탄성 산란에서의 이핵입 생성을 통해 핵자의 스핀 및 횡방향 운동량 구조를 탐색하기 위해.
• 파편화 과정에서 이전에 관측되지 않은 주요 스케일의 스핀 및 횡방향 운동량에 의존하는 파손 함수에 접근하기 위해.
• 백터-백터 이핵입 사건에서의 비틀림 비대칭을 측정하여, 타격을 입은 쿼크의 스핀과 최종 상태 핵입자의 횡방향 운동량 간의 상관관계를 드러내기 위해.
• SIDIS에서 표적 잔여 파편화 과정을 연구하기 위한 새로운 실험적 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 10.2 및 10.6 GeV의 종방향 극화된 전자 빔을 비극화된 액체 수소 표적으로 조사하였다.
• 질량 중심 프레임에서 백터-백터 이핵입 생성을 측정하였으며, 한 핵입자는 현재 파편화 영역(CFR)에, 다른 한 핵입자는 표적 파편화 영역(TFR)에 위치하였다.
• 가상의 광자-핵자 질량 중심 프레임에서 양성자와 π⁺의 애자지탈 각도 차이(∆φ)를 분석하여 스핀에 의존하는 비대칭을 추출하였다.
• 데이터를 파손 함수의 관점에서 해석하기 위해 횡방향 운동량에 의존하는(TMD) 인과성 분리 프레임워크를 적용하였다.
• CLAS12 분광계를 사용하여 최종 상태 입자를 재구성하고 고정밀도로 운동량 변수를 측정하였다.
• 사건별로 편향을 제거하고 운동량 재구성을 수행하여 TFR 및 CFR에서 스핀 비대칭을 고립시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 깊은 비탄성 산란에서의 이핵입 생성에서 스핀-횡방향 운동량 상관관계를 관측할 수 있는가?
• RQ2 백터-백터 이핵입 사건에서의 비틀림 비대칭은 주요 스케일의 파손 함수의 존재를 드러내는가?
• RQ3 스핀에 의존하는 애자지탈 비대칭을 통해 파편화 과정에서 표적 잔여물의 역할은 무엇인가?
• RQ4 관측된 비대칭은 타격을 입은 쿼크의 스핀과 TFR 및 CFR에서 핵입자의 횡방향 운동량 간의 상관관계로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• ep → e′pπ⁺X 사건에서 비틀림 비대칭에서 sin∆φ 조화분석이 비영인 것으로 관측되어 중요한 스핀-횡방향 운동량 상관관계를 시사한다.
• 측정된 비대칭은 이핵입 생성에서 주요 스케일의 스핀 및 횡방향 운동량에 의존하는 파손 함수에 대한 최초의 실험적 증거를 제공한다.
• 비대칭은 타격을 입은 쿼크의 스핀과 TFR 및 CFR에서 핵입자의 애자지탈 각도 간의 상관관계를 포함하는 이론적 예측과 일치한다.
• 데이터는 표적 잔여 파편화 과정이 타격을 입은 쿼크의 스핀 및 횡방향 운동량에 민감함을 시사한다.
• 결과는 단일 핵입자 SIDIS를 초월하여 핵자 구조 및 파편화 역학을 탐색할 수 있는 새로운 채널을 열어준다.
• 미래의 디우테리움 표적 및 극화된 표적을 이용한 측정을 통해 파손 함수의 보편성 및 프리즈마에 의존하는 구조에 대한 완전한 접근이 가능해진다.