[논문 리뷰] Partonic Structure of Light Nuclei

W. Armstrong, J. Arrington외 46명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 02.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions참고 문헌 34인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 CLAS12 검출기와 새로운 저에너지 반동 트래커(ALERT)를 사용하여 4He 핵의 쿼크 및 글루온 구조에 대한 고정밀 연구를 제안한다. 공명된 깊은 가상의 콘프톤 산란(DVCS)과 배제적 $φ$ 메손 전자생산을 통해 광역 운동역학 범위에서 비스듬한 스핀 비대칭과 미분 단면적을 측정함으로써, 모형에 의존하지 않는 쿼크 및 글루온의 횡방향 공간 분포를 추출하고, 밀도가 높은 경량 핵에서 쿼크와 글루온의 반경을 직접 비교할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

We propose to study the partonic structure of $^4$He by measuring the Beam Spin Asymmetry (BSA) in coherent Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS) and the differential cross-section of the Deeply Virtual Meson Production (DVMP) of the $ϕ$. Despite its simple structure, a light nucleus such as $^4$He has a density and a binding energy comparable to that of heavier nuclei. Therefore, by studying $^4$He nucleus, one can learn typical features of the partonic structure of atomic nuclei. The combination of CLAS12 and the ALERT detector provides a unique opportunity to study both the quark and gluon structure of a dense light nucleus. Coherent exclusive DVCS off $^4$He will probe the transverse spatial distribution of quarks in the nucleus as a function of the quarks' longitudinal momentum fraction, $x$. In parallel, the average spatial transverse gluon density of the $^4$He nucleus will be extracted within a GPD framework using the measured longitudinal cross-section for coherent $ϕ$ production in a similar range of $x$. Additionally, threshold effects of $ϕ$ production can be explored by exploiting the ALERT detector's large acceptance for low $|t|$ events.

연구 동기 및 목표

• 공명된 배제적 DVCS와 $φ$ 메손 전자생산을 통해 4He 핵의 첫 모형 독립적 3차원 톰오그램을 수행하기 위해.
• 컴프턴 형상함수(CFFs)의 실수부와 허수부를 추출하여 4He에서 쿼크 및 글루온의 횡방향 공간 분포를 측정하기 위해.
• 공명된 DVCS와 $φ$ 생산의 배제적 측정을 통해 밀도가 높은 경량 핵에서 쿼크와 글루온의 반경을 비교하기 위해.
• 반입자핵의 중간체 효과를 탐지하여 반동 핵을 태그하고, 뉴클론 이완도에 따른 EMC 비율을 측정함으로써 결합된 뉴클론의 부분구조에 대한 수정을 연구하기 위해.
• 4He와 디우터륨에서 비일관된 서바이저 태그된 DVCS를 통해 일반화된 부분구조 분포(GPDs)에서 핵 효과를 분리하기 위해.

제안 방법

• 저에너지 반동 트래커(ALERT), 스테레오 드리프트 챔버 및 스цин티레이터 어레이를 포함한 CLAS12 검출기를 사용하여 저속도 반동 핵을 탐지하고 배제적 최종 상태를 재구성하기 위해.
• 3 atm에서 기체 상태의 4He와 디우터륨 표적에 11 GeV의 종방향 극화된 전자 빔(80% 극화도, 최대 1000 nA)을 사용하여 최대 $6 \times 10^{34}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$의 루미노시티를 확보하기 위해.
• 공명된 DVCS에서의 비스듬한 스핀 비대칭(_BSAs_다른 표현으로 BSA)과 $K^+K^-$ 및 $K^0_S K^0_L$ 붕괴 채널을 통한 배제적 $φ$ 메손 전자생산의 미분 단면적을 측정하기 위해.
• 완전히 배제적인 운동역학을 사용하여 일반화된 부분구조 분포(GPDs)에 접근하고, 각도 분포에 대한 피팅을 통해 4He의 컴프턴 형상함수 $H_A$의 실수부와 허수부를 추출하기 위해.
• 예측의 타당성을 확인하기 위해 시뮬레이션된 베티-헤이틀러(Bethe-Heitler, BH) 사건을 사용하여 사용된 매개변수화된 단면적과 통계적 불확실성의 타당성을 검증하기 위해.
• 운동역학 변수인 $x_B$, $Q^2$, 및 $-t$ 에서의 분할을 수행하여 CFFs를 추출하고 영향 매개변수 공간($b_\perp$)에서 부분구조 밀도 프로파일을 재구성하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 컴프턴 형상함수 $H_A$의 실수부와 허수부에서 추출된 4He 핵 내 쿼크의 횡방향 공간 분포는 무엇인가?
• RQ2 4He에서 쿼크와 글루온의 반경은 어떻게 비교되며, 배제적 $φ$ 메손 전자생산이 글루온 구조를 직접 측정할 수 있는가?
• RQ3 중간체 효과는 뉴클론 이완도에 따른 EMC 비율의 의존성으로 드러나는 바, 결합된 뉴클론의 부분구조에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ4 4He와 디우터늄에서 비일관된 서바이저 태그된 DVCS는 어떻게 핵 효과와 단일 뉴클론 GPDs를 분리할 수 있는가?
• RQ5 영향 매개변수 공간에서 재구성된 부분구조 밀도 프로파일의 정밀도는 무엇이며, 이는 어떤 운동역학 변수에 의존하는가?

주요 결과

• 공명된 DVCS에서의 비스듬한 스핀 비대칭을 통해 4He의 컴프턴 형상함수 $H_A$의 실수부와 허수부를 모형에 의존하지 않게 추출할 수 있다.
• 배제적 공명된 $φ$ 메손 전자생산의 미분 단면적이 처음으로 측정될 것이며, $|t| \leq 0.6$ GeV$^2$ 범위에서, 첫 번째 분열 최소값을 포함한다.
• 허수부 $H_A$의 통계적 불확실성 예측은 영향 매개변수 공간($b_\perp$)에서 쿼크 밀도 프로파일을 고정밀도로 재구성할 수 있도록 한다.
• ALERT 검출기는 낮은 에너지 반동 핵을 효율적으로 배경 제거하고 낮은 물질 예산으로 탐지할 수 있어, 배제적 과정 태깅에 필수적이다.
• 순수한 베티-헤이틀러 사건을 사용한 시뮬레이션은 예측에 사용된 매개변수화된 단면적이 타당하며 기대되는 통계적 불확실성을 잘 재현함을 확인한다.
• 빔-스핀 비대칭 $A_{LU}(90^\circ)$는 $-t$ 범위 전반에서 10% 이하의 정밀도를 달성할 것으로 예측되며, CLAS-eg6 및 HERMES의 이전 측정치를 뛰어넘는다.