[논문 리뷰] Physics case for a polarised target for AFTER@LHC

Jean-Philippe Lansberg, M. Anselmino외 28명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 AFTER@LHC 固定標本実験において偏光標本を用いることで、Drell-Yan, ジェット, ピオン, クオルクーマー生成における単一横方向スピン非対称性（STSAs）の高精度測定を可能にする。この装置配置により、グルーオンSivers効果への初めての直接的アクセスが可能となり、高出力LHCビームと $2 < y_{\rm Lab} < 5$ の最適化された検出器カバレッジを活用して、大 $x^\uparrow$ におけるクォークSivers関数の符号変化の重要な検証が可能になる。主な貢献は、AFTER@LHCにおける専用スピン物理学プログラムの包括的な物理学的根拠を提示することにある。

ABSTRACT

We review a number of ideas put forward in favour of the use of a polarised target along with the proposed idea of a fixed-target experiment using the LHC beams -- AFTER@LHC. A number of recent studies have shown that single transverse-spin asymmetries (STSAs) are large enough to be precisely measured in the region accessible with AFTER@LHC, in particular as regards the Drell-Yan process as well as single-pion, isolated-photon and jet production. AFTER@LHC with a polarised target would also be the ideal experimental set-up to measure the gluon Sivers effect via a number of original quarkonium STSA studies. We discuss first figures-of-merit based on simulations for AFTER@LHC with a polarised target.

연구 동기 및 목표

• AFTER@LHC 固定標本実験に偏光標本を導入するための説得力のある物理学的根拠を確立すること。
• 横運動量に依存する部分子分布（TMD）に敏感な過程における単一横方向スピン非対称性（STSAs）の高精度測定を可能にすること。
• 大 $x^\uparrow$ におけるクォークSivers関数を測定し、半包含的深エネルギー散乱（SIDIS）との相対的な符号変化を検証すること。
• クオルクーマーSTSAs測定を通じてグルーオンSivers効果にアクセスし、ヌクレオンスピン分解における重要な欠落要因を解消すること。
• 初期状態および最終状態相互作用とQCDにおける因子化破壊的ダイナミクスを研究するためのユニークで高出力のプラットフォームを提供すること。

제안 방법

• 実験フレームのラボ系と重心系の間の大きなブーストを活用して、高 $x^\uparrow$ 領域に到達可能な、LHCビームを固定標本モードで使用する。
• 湾曲結晶を用いたビーム抽出により、LHCビーム粒子のわずかな割合を偏光標本と清浄かつコリメートされた状態で衝突させる。
• 湾曲結晶の代替として、スピン物理学に適した高い偏光度と出力を持つ内部偏光ガス標本を採用する。
• Drell-Yan, $J/\psi$, $\Upsilon$, 隔離光子, ジェットの各過程について、現実的な検出器受容性とバックグラウンドモデルを用いてイベント収率とSTSAsの指標をシミュレートする。
• 組み合わせ的バックグラウンド差し引き技術とバーテックス再構成を用いて、ハイフリーバー荷電の寄与を分離し、それらのSTSAsを測定する。
• J/\psi対生成のような $k_T$-依存性の観測量における微分非対称性を分析することで、グルーオンTMDおよびグルーオンSivers関数にアクセスする。

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AFTER@LHCに偏光標本を装備した場合、十分な精度で大 $x^\uparrow$ におけるクォークSivers関数を測定し、予測された符号変化を検証できるか？
• RQ2 現在のところ直接的な実験的アクセスが得られていない状況において、$J/\psi$ および $\Upsilon$ 生成におけるSTSAsがグルーオンSivers関数をどの程度制限できるか？
• RQ3 現実的な出力および偏光条件のもとで、Drell-Yan, 隔離光子, ジェット生成におけるSTSAsの予想される指標はどのように比較されるか？
• RQ4 遠く後方領域における $J/\psi$ 対生成が、$k_T$-依存性の非対称性を通じてグルーオンSivers効果をクリアにプローブできるか？
• RQ5 二重ハドロンまたは二重光子最終状態におけるSTSAsを測定することは、Sivers効果を超えるtwist-3相関関数およびTMDにアクセスする上で実現可能か？

주요 결과

• $A_N^{J/\psi} \approx 0.025$ の $J/\psi$ 生成におけるSTSAs測定は、$2 < y_{\rm Lab} < 5$ の範囲で十分な精度で可能であり、不確実性は提案された装置の範囲内に収まる見込みである。
• Drell-Yan STSAsは高 $Q^2$（大 $x^\uparrow$）で大きく、測定可能であり、クォークSivers関数の符号変化を検証するためのユニークなテストを提供する。
• J/\psi + J/\psi 生成の収率は十分に大きく、微分 $k_T$-依存性STSAs測定が可能であり、グルーオンSivers関数への直接的アクセスが可能となる。
• ミュオン連続体中のハイフリーバー荷電バックグラウンドは、バーテックス検出器を用いてずれたバーテックスを分離することで軽減可能であり、charm および beauty 項目の別々のSTSAs研究が可能になる。
• 高出力と $y_{\rm Lab} \approx 2$ から $5$ までの検出器カバレッジの組み合わせにより、複数の過程におけるSTSAsが高信頼性で測定可能となる。
• HERMESタイプの偏光標本の使用は、スピン物理学における偏光度と出力の観点で、現在稼働中または計画中のすべての実験を上回ると予想される。