[論文レビュー] The Strange Spin of the Nucleon

John Ellis, Marek Karliner|ArXiv.org|Jan 16, 1996

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、EMC実験によって明らかにされた陽子スピンの謎に焦点を当てており、陽子スピンのわずかな部分しかクォークスピンが担わないという結果は、単純なパートン模型に反する。QCD補正、チャiralソリトン模型、軸的U(1)異常効果、および核子波動関数における奇妙クォーク成分（ss̄）の証拠を検討するとともに、偏極した構造関数と、axion や軽い supersymmetric 粒子（LSP）といった冷たいダークマター粒子の探索を結びつける。

ABSTRACT

The recent series of experiments on polarized lepton-nucleon scattering have provided a strange new twist in the story of the nucleon, some of whose aspects are reviewed in these lectures. In the first lecture, we review some issues arising in the analysis of the data on polarized structure functions, focusing in particular on the importance and treatment of high-order QCD perturbation theory. In the second lecture some possible interpretations of the ``EMC spin effect" are reviewed, principally in the chiral soliton (Skyrmion) approach, but also interpretations related to the axial $U(1)$ anomaly. This lecture also discusses other indications from recent LEAR data for an $\bar{s} s$ component in the nucleon wave function, and discusses test of a model for this component. Finally, the third lecture reviews the implications of polarized structure functions measurements for experiments to search for cold dark matter particles, such as the lightest supersymmetric particle and the axion, after reviewing briefly the astrophysical and cosmological evidence for cold dark matter.

研究の動機と目的

• 陽子の全スピンとクォークスピンによる寄与の間の不一致、すなわち「スピンの謎」を理解すること。
• 偏極構造関数データの解釈における高次のQCD摂動論の役割を検討すること。
• 特にチャーラルソリトン（スカーミオン）モデルと軸的U(1)異常を含む理論的モデルが、EMC効果を説明するのに果たす役割を調査すること。
• LEARおよび他のデータからの核子波動関数における奇妙クォーク成分（ss̄）の実験的証拠を評価すること。
• 偏極構造関数の測定と、axion や軽い supersymmetric 粒子（LSP）といった冷たいダークマター候補の探索を結びつけること。

提案手法

• 偏極構造関数 g₁(x, Q²) とクォーク分布関数 ∆q(x)、∆q̄(x) の関係をパートン模型を用いて関係づける。
• 摂動的QCD補正を αs² 時間まで含めた、Bjorken和則を適用し、陽子-中性子スピン非対称性を強い結合定数 αs(Q²) に関連付ける。
• 軸的カレント行列要素形式を用いて、g₁ を ∆q = ∫dx [q↑(x) − q↓(x) + q̄↑(x) − q̄↓(x)] の形で表現する。
• EMCデータを Γ₁^p(Q²) = ∫₀¹ g₁^p(x, Q²)dx の関係を用いて分析し、∆s = 0 を仮定した予測と比較する。
• チャーラルソリトンモデルと軸的U(1)異常を、観察されたスピン構造の説明のための理論的枠組みとして評価する。
• 特にaxionに類似した粒子に感応する偏極した深部非弾性散乱実験を介したダークマター検出への影響をレビューする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜEMC実験は、⟨Q²⟩ = 10.7 GeV² で 0.126 ± 0.025 の陽子スピン構造関数の積分値を測定したのか。これは単純なパートン模型の予測値 0.17 ± 0.01 より顕著に小さい。
• RQ2 スピンの謎を解消するために奇妙クォークの偏極 ∆s が果たす役割は何か。実験的にどのように制約できるか。
• RQ3 QCD補正と高スケール効果は、Bjorken和則および g₁(x, Q²) データの解釈をどのように修正するか。
• RQ4 チャーラルソリトン（スカーミオン）モデルや軸的U(1)異常は、∆s の小ささとEMC効果を説明するのに妥当な説明を与えることができるか。
• RQ5 偏極構造関数の測定は、axion や軽い supersymmetric 粒子（LSP）といった冷たいダークマター粒子の検出にどのような意味を持つのか。

主な発見

• EMC実験は、⟨Q²⟩ = 10.7 GeV² で Γ₁^p(Q²) = 0.126 ± 0.010（系統的誤差）± 0.015（統計的誤差）を測定し、単純なパートン模型の予測値 0.17 ± 0.01 より顕著なずれを示している。
• 摂動的QCD補正を施したBjorken和則は、QCDの根本的テストを提供し、陽子-中性子非対称性から Q² = 10.7 GeV² で αs(Q²) ≈ 0.3 が得られた。
• データは、非ゼロの奇妙クォーク偏極を示唆しており、νp および ̄νp の弾性散乱から ∆s = −0.15 ± 0.09 が得られた。ただし、EMC結果以前には広く認識されていなかった。
• チャーラルソリトンモデルと軸的U(1)異常は、∆s の小ささとEMC効果を説明する理論的枠組みを提供する。
• 偏極構造関数の測定は、axionに類似した粒子や軽い supersymmetric 粒子（LSP）に感応し、冷たいダークマターへの可能性ある窓を提供する。
• 高スケール補正と、一次の摂動論を超えたQCD補正は、実験データから ∆q と ∆s を正確に抽出する上で不可欠である。