[論文レビュー] The RHIC SPIN Program: Achievements and Future Opportunities

E. C. Aschenauer, A. Bazilevsky+22 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用数 87

ひとこと要約

この論文は、相対論的重イオン衝突装置（RHIC）における極化陽子衝突を用いて陽子のスピン構造を解明したRHIC SPINプログラムの成果をレビューし、精度の高いスピンに依存する観測量の測定を通じて量子色力学（QCD）の理解を進めるための今後の機会を概説している。研究ではグルーオンおよびクォークのスピン寄与に関する重要な結果を強調し、長年の懸案事項を解消するための強化されたデータ収集および解析手法の提案を行っている。

ABSTRACT

Time and again, spin has been a key element in the exploration of fundamental physics. Spin-dependent observables have often revealed deficits in the assumed theoretical framework and have led to novel developments and concepts. Spin is exploited in many parity-violating experiments searching for physics beyond the Standard Model or studying the nature of nucleon-nucleon forces. The RHIC spin program plays a special role in this grand scheme: it uses spin to study how a complex many-body system such as the proton arises from the dynamics of QCD. Many exciting results from RHIC spin have emerged to date, most of them from RHIC running after the 2007 Long Range Plan. In this document we present highlights from the RHIC program to date and lay out the roadmap for the significant advances that are possible with future RHIC running.

研究の動機と目的

• 2007年以降にRHICスピンプログラムで達成された主な実験的および理論的進展を要約すること。
• 特にグルーオンおよびクォークが陽子の全スピンに寄与する割合に関して、未解決の問題を特定すること。
• より高精度な測定を達成するための将来の極化陽子を用いたRHIC運転の戦略的ロードマップを提示すること。
• 陽子スピンの謎と関連するQCDダイナミクスに対処するため、理論的および実験的協力を継続して推進すること。
• 標準模型を超えた新しい物理を解明するためのスピン物理学の役割、および強い相互作用のダイナミクスを理解する上での重要性を強調すること。

提案手法

• 相対論的重イオン衝突装置（RHIC）における極化陽子ビームの利用により、スピンに依存する粒子生成を研究すること。
• RHICの極化陽子運転期間中に得られた高統計的データを活用し、スピンに依存する部分素粒子分布関数（PDF）を抽出すること。
• 実験的観測量と基本的素粒子分布関数を結びつけるために、量子色力学（QCD）の因子化定理を適用すること。
• 運動量および方位角方向の相関を用いた高度な解析手法を用い、スピン-軌道およびスピン-スピン相関を調査すること。
• 共線および横運動量に依存する（TMD）PDFなどの理論枠組みを統合し、実験結果の解釈を支援すること。
• 検出器のアップグレードおよび光度の向上を活用し、将来の運転で統計的精度を向上させるとともに、系統的不確かさを低減すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グルーオンが陽子スピンのどの程度を担っており、それが運動量分率にどのように依存するか？
• RQ2 クォークおよび反クォークのスピンに依存する分布関数は、陽子の全スピンにどのように寄与しているか？
• RQ3 横スピンおよびスピン-軌道相関は、陽子の内部構造において果たす役割は何か？
• RQ4 将来の極化ビームを用いたRHIC運転では、スピン構造関数の測定精度をどのように向上させられるか？
• RQ5 陽子-陽子衝突における高精度スピン測定から、どのような新しい物理的知見が得られるか？

主な発見

• RHIC SPINプログラムは、グルーオンが陽子スピンの顕著な割合を占めている強力な証拠を提供しており、中程度の運動量分率において顕著な正の寄与があると示唆している。
• ジジェットおよび高横運動量ハドロン生成におけるスピン単一非対称性の測定が、横スピンに依存する部分素粒子分布関数（TMD PDF）の制約を強化した。
• 極化深く散乱および半包含的過程の測定により、陽子内におけるクォークおよび反クォークのヘリシティ分布に対する制約が改善された。
• プログラムは、スピン非対称性を用いてクォークおよびグルーオンの軌道的角運動量を含む陽子の三次元構造を調査する可能性を実証した。
• 将来のRHIC運転において、光度の向上と極化ビームの利用により、スピンに依存するPDFの不確実性が1桁分低減されると予想される。
• TMD因子化および進化方程式などの理論的発展が、実験データとの比較を通じて検証され、洗練されたものとなっている。