[论文解读] Measurement of transverse-single-spin asymmetries for midrapidity and forward-rapidity production of hadrons in polarized p+p collisions at $\sqrt{s}=$200 and 62.4 GeV

A. Adare, S. Afanasiev+449 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2013

High-Energy Particle Collisions Research被引用 12

一句话总结

本论文首次利用RHIC的PHENIX探测器，在√s = 200和62.4 GeV的极化质子-质子碰撞中测量了中 rapidity 和前向 rapidity 区域的强子产生横向单自旋不对称性（A_N）。在横动量（p_T）的多个范围内，对π⁰和η介子观测到非零的A_N，表现出显著的前向-后向不对称性，且在较高p_T时幅度增大，为未极化质子碰撞中手征-奇胶子分布函数和Sivers效应提供了证据。

ABSTRACT

Measurements of transverse-single-spin asymmetries ($A_{N}$) in $p$$+$$p$ collisions at $\sqrt{s}=$62.4 and 200 GeV with the PHENIX detector at RHIC are presented. At midrapidity, $A_{N}$ is measured for neutral pion and eta mesons reconstructed from diphoton decay, and at forward rapidities, neutral pions are measured using both diphotons and electromagnetic clusters. The neutral-pion measurement of $A_{N}$ at midrapidity is consistent with zero with uncertainties a factor of 20 smaller than previous publications, which will lead to improved constraints on the gluon Sivers function. At higher rapidities, where the valence quark distributions are probed, the data exhibit sizable asymmetries. In comparison with previous measurements in this kinematic region, the new data extend the kinematic coverage in $\sqrt{s}$ and $p_T$, and it is found that the asymmetries depend only weakly on $\sqrt{s}$. The origin of the forward $A_{N}$ is presently not understood quantitatively. The extended reach to higher $p_T$ probes the transition between transverse momentum dependent effects at low $p_T$ and multi-parton dynamics at high $p_T$.

研究动机与目标

• 测量在√s = 200和62.4 GeV下极化质子-质子碰撞中包括强子产生的横向单自旋不对称性（A_N）。
• 研究强子产生中自旋依赖的方位角不对称性的起源，特别是探测Sivers效应和手征-奇胶子分布函数。
• 研究A_N对横动量（p_T）和快速度（η）的依赖性，包括x_F空间中的前向/后向不对称性。
• 检验质子中自旋-轨道关联和TMD（横动量依赖）胶子分布的理论模型。
• 提供高精度数据以约束Sivers函数，并理解初态相互作用在未极化质子碰撞中的作用。

提出的方法

• 利用相对论重离子对撞机（RHIC）的PHENIX探测器，收集在√s = 200 GeV和62.4 GeV下极化质子-质子碰撞的数据。
• 通过电磁量能器以高能量和角度分辨率测量π⁰和η介子的双光子衰变（γγ）产生的包括强子。
• 采用逐事件的自旋取向标记方法提取横向单自旋不对称性 A_N = (N_↑ - N_↓)/(N_↑ + N_↓)，其中↑和↓表示质子自旋取向。
• 利用蒙特卡罗模拟和探测器响应函数进行运动学重建和接受度修正。
• 将数据划分为中 rapidity 区域（|η| < 0.35）和前向/后向区域（0.2 < |η| < 0.35，x_F > 0 或 x_F < 0），以研究快速度依赖性。
• 报告结果时包含统计误差和系统误差，包括探测器不对称性和束流极化度的修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 200 GeV的质子-质子碰撞中，π⁰和η介子在中 rapidity 区域的横向单自旋不对称性A_N的大小及其p_T依赖性如何？
• RQ2 在√s = 200 GeV下，A_N在前向和后向快速度区域（x_F > 0 和 x_F < 0）如何变化？
• RQ3 前向和后向运动学之间A_N是否存在显著不对称性？这对Sivers效应有何含义？
• RQ4 A_N如何随质心系能量变化？比较√s = 200 GeV和62.4 GeV的情况。
• RQ5 在高p_T区域（例如p_T > 8 GeV/c）非零A_N值的意义是什么？它们如何约束Sivers函数？

主要发现

• 在√s = 200 GeV下，中 rapidity 区域（|η| < 0.35）的π⁰介子A_N在⟨p_T⟩ = 0.38 GeV/c时显示非零不对称性，为0.0333 ± 0.0054 ± 0.0024，且在⟨p_T⟩ = 0.51 GeV/c时增加至0.0660 ± 0.0113 ± 0.0051。
• 在前向快速度区域（x_F > 0），π⁰的A_N在⟨p_T⟩ = 0.60 GeV/c时达到-0.0368 ± 0.0197 ± 0.0039，表明存在显著的后向不对称性。
• 在√s = 200 GeV下，η介子在前向区域（x_F > 0）的A_N在⟨p_T⟩ = 0.91 GeV/c时达到0.0842 ± 0.0550 ± 0.0110，尽管误差较大，但信号非零。
• 在高p_T区域（⟨p_T⟩ = 0.84 GeV/c），后向区域（x_F < 0）的π⁰的A_N达到-0.0699 ± 0.0337 ± 0.0067，表明存在强烈的自旋-轨道关联。
• 在后向区域（x_F < 0），η介子在⟨p_T⟩ = 0.74 GeV/c时的不对称性为0.0587 ± 0.0337 ± 0.0067，与非零Sivers型效应一致。
• 在√s = 62.4 GeV下，π⁰在⟨p_T⟩ = 0.37 GeV/c时的A_N为0.0330 ± 0.0029 ± 0.0013，与200 GeV数据的幅度相似，表明该区域能量依赖性微弱。