[論文レビュー] Spectator-Tagged Deeply Virtual Compton Scattering on Light Nuclei

W. Armstrong, J. Arrington+54 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2017

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 29被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、CLAS12検出器と低エネルギー反動トラッカー（ALERT）を用いて、軽い原子核（重水素および⁴He）におけるスペクテーター付き深くバーチカルなコムプトン散乱（DVCS）測定を提案する。反動スペクテーター核をタグすることで、束縛状態にある陽子の最終状態相互作用、フェルミ運動、および非オンシェル効果を分離し、系として研究することを目的としており、一般化部分子分布関数（GPDs）および中性子の非フォワードEMC効果の明確なプローブが可能となる。

ABSTRACT

The three-dimensional picture of quarks and gluons in the proton is set to be revealed through Deeply virtual Compton scattering while a critically important puzzle in the one-dimensional picture remains, namely, the origins of the EMC effect. Incoherent nuclear DVCS, i.e. DVCS on a nucleon inside a nucleus, can reveal the 3D partonic structure of the bound nucleon and shed a new light on the EMC effect. However, the Fermi motion of the struck nucleon, off-shell effects and final-state interactions (FSIs) complicate this parton level interpretation. We propose here a measurement of incoherent DVCS with a tagging of the recoiling spectator system (nucleus A-1) to systematically control nuclear effects. Through spectator-tagged DVCS, a fully detected final state presents a unique opportunity to systematically study these nuclear effects and cleanly observe possible modification of the nucleon's quark distributions. We propose to measure the DVCS beam-spin asymmetries (BSAs) on $^4$He and deuterium targets. The reaction $^4$He$(e,e^{\prime}γ\,p\,^3$H$)$ with a fully detected final state has the rare ability to simultaneously quantify FSIs, measure initial nucleon momentum, and provide a sensitive probe to other nuclear effects at the parton level. The DVCS BSA on a (quasi-free) neutron will be measured by tagging a spectator proton with a deuteron target. Similarly, a bound neutron measurement detects a spectator $^3$He off a $^4$He target. These two observables will allow for a self-contained measurement of the neutron off-forward EMC Effect.

研究の動機と目的

• 非弾性DVCSにおいて、束縛状態にある陽子の最終状態相互作用（FSIs）、フェルミ運動、および非オンシェル効果を分離し、体系的に研究すること。
• 重水素標的に準自由な中性子におけるDVCSのビームスピン非対称性（BSA）を測定し、中性子の非フォワードEMC効果の自己完結的プローブを可能とすること。
• 排他的DVCSとφメソン生成を用いて、⁴He原子核におけるクォークおよびグルーオン分布のモデルに依存しない3次元トモグラフィーを実現すること。
• 最終状態を完全に検出することで、核の構造測定における曖昧さを低減すること、特に反動スペクテーター核の検出を含むこと。
• ガス標的に高輝度・高極化度電子ビームを用いて、理論的部品分布関数の補正と検証を実施すること。

提案手法

• 3 atmのガス状重水素および⁴He標的に、11 GeVの縦極化電子ビーム（80%の極化度）を最大1000 nAで照射し、最大6×10³⁴ cm⁻²s⁻¹の輝度を達成すること。
• CLAS12ソレノイド磁場内に、ステレオドリフトチェンバーとシンチレーションアレイからなる低エネルギー反動トラッカー（ALERT）を実装し、材料寄与を最小限に抑えて低運動量の反動核を検出すること。
• 反動スペクテーター核（例：⁴He(e,e′γp³H)における³H）をタグすることで、初期状態の陽子の運動量分布を直接再構築し、非オンシェル性の特定を可能とすること。
• e + A → e′ + γ + A′という完全排他的な最終状態を測定し、電子、光子、および反動核の完全再構築を実施すること。
• ビームスピン非対称性（BSA）を用いて、特に中性子のチャイral-odd一般化部分子分布関数（GPDs）にアクセスすること。
• 運動量再構築と粒子識別を適用し、部分子的構造における最終状態相互作用および核効果の寄与を分離すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最終状態相互作用（FSIs）は、軽い原子核における非弾性DVCSの観測ビームスピン非対称性にどのように影響するか？
• RQ2 束縛状態にある陽子におけるフェルミ運動および非オンシェル効果は、一般化部分子分布関数（GPDs）の解釈をどの程度歪めるか？
• RQ3 ⁴Heおよび重水素におけるスペクテーター付きDVCSは、中性子の非フォワードEMC効果を明確かつ自己完結的に測定可能か？
• RQ4 排他的DVCSによって明らかにされる、⁴He原子核の横断的サイズに寄与するクォークとグルーオン分布の相対的寄与は何か？
• RQ5 核の媒体効果は、束縛状態にある陽子および中性子のGPDsにどのように現れるか？また、それらは最終状態相互作用から分離可能か？

主な発見

• 提案された実験により、最終状態を完全に再構築し、反動スペクテーター核を含む、軽い原子核におけるスペクテーター付きDVCSの初の完全排他的測定が可能となる。
• 反動核をタグすることで、初期状態の陽子の運動量分布を直接測定でき、フェルミ運動による曖昧さが低減される。
• 重水素標的に準自由な中性子におけるビームスピン非対称性（BSA）は、中性子の非フォワードGPDおよび非フォワードEMC効果の明確なプローブを提供する。
• ⁴Heでは、³Hの反動核をタグすることで、束縛状態の中性子の部分子的構造を自己完結的に測定でき、核モデル依存性を最小限に抑えることができる。
• ALERT検出器は、バックグラウンド除去の高い効率を発揮すると予想され、低エネルギー反動核の検出に不可欠な低材料寄与を維持する。
• ⁴Heでは最大6×10³⁴ cm⁻²s⁻¹、重水素では最大3×10³⁴ cm⁻²s⁻¹の輝度が達成され、希少な排他的最終状態の高統計的測定が可能となる。