[论文解读] Transverse single-spin asymmetries in proton-proton collisions at the AFTER@LHC experiment

Koichi Kanazawa, Y. Koike+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 30被引用 8

一句话总结

本文针对拟议的AFTER@LHC实验中质子-质子碰撞的横动量单自旋不对称性（TSSAs）提出理论预测，重点关注π介子、喷注和直接光子的产生。基于扭-3和TMD形式体系，预测π介子的不对称性为5–10%，喷注的不对称性值虽小但可测量，而光子的不对称性为负的约−5%，可作为清晰探针，用于区分CT3与GPM框架，并解决TSSA起源问题中长期存在的符号不匹配难题。

ABSTRACT

We present results for transverse single-spin asymmetries in proton-proton collisions at kinematics relevant for AFTER, a proposed fixed-target experiment at the Large Hadron Collider. These include predictions for pion, jet, and direct photon production from analytical formulas already available in the literature. We also discuss specific measurements that will benefit from the higher luminosity of AFTER, which could help resolve an almost 40-year puzzle of what causes transverse single-spin asymmetries in proton-proton collisions.

研究动机与目标

• 为AFTER@LHC实验相关动量范围内的质子-质子碰撞提供横动量单自旋不对称性（TSSAs）的理论预测。
• 解决TSSA起源问题中长期未解的40年谜题，特别是Qiu-Sterman函数与Sivers函数之间符号不匹配的问题。
• 评估AFTER高亮度特性在π介子、喷注和直接光子产生中实现更高精度测量TSSAs的潜力。
• 通过喷注和光子不对称性实现对Qiu-Sterman函数的清晰提取，完全避免碎片化贡献的影响。
• 通过将预测结果与未来实验数据对比，检验扭-3共线与广义部分子模型（GPM）框架的有效性。

提出的方法

• 采用文献中的解析公式，基于扭-3夸克-胶子-夸克关联（Qiu-Sterman函数）预测π介子、喷注和直接光子产生的TSSAs。
• 应用广义部分子模型（GPM）形式体系，结合横动量依赖（TMD）函数，包括Sivers、Collins和Boer-Mulders函数。
• 在√S = 115 GeV（AFTER相关）条件下，对$ x_F $、$ y $ 和 $ p_T $ 的函数关系进行不对称性的数值计算。
• 实施隔离判据以抑制直接光子产生中的碎片化贡献，确保对Qiu-Sterman函数的清晰访问。
• 除软胶子极点（SGP）机制外，还考虑了软费米子极点（SFP）和三胶子函数的贡献。
• 使用从半包容深度非弹性散射（SIDIS）中提取的Sivers函数作为Qiu-Sterman函数的输入，以检验过程依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Qiu-Sterman函数是否能单独解释π介子产生中的观测TSSA，且不与Sivers函数产生符号不匹配？
• RQ2 在AFTER实验中，喷注和直接光子不对称性在多大程度上能提供对Qiu-Sterman函数的清晰访问，且完全排除碎片化效应的影响？
• RQ3 AFTER预测的直接光子负不对称性是否能将扭-3（CT3）框架与GPM框架区分开来，后者预测为正不对称性？
• RQ4 AFTER更高亮度的数据能否解决大$ x^\uparrow $区域Sivers函数的不确定性，并确认Qiu-Sterman函数在喷注产生中占主导地位？
• RQ5 在高横动量（$ p_T \gtrsim 12 $ GeV）区域，π介子产生的TSSA是否如pQCD所预测的那样趋于平坦？AFTER能否检验该行为？

主要发现

• 在AFTER实验中，π介子产生的TSSA预测值在$ x_F $变化范围内为5–10%，在高$ p_T $区域缓慢下降，并在$ p_T \gtrsim 12 $ GeV时趋于平坦。
• 喷注不对称性$ A_N^{jet} $预测值极小，但Sivers函数的不确定性以及SFP和三胶子函数的贡献可能使信号可测量。
• 直接光子不对称性$ A_N^{\gamma} $在$ y \sim -2 $ 和 $ l_T = 3 $ GeV时预测约为−5%，随$ x_F $更负和$ l_T $增加而减小，与GPM预测的正不对称性形成鲜明对比。
• $ A_N^{\gamma} $的负号更支持扭-3（CT3）框架，为区分两种形式体系提供了清晰的检验手段。
• AFTER的更高统计量将使在更负的$ x_F $区域更精确测量$ A_N^{jet} $成为可能，这对判断Qiu-Sterman函数是否为不对称性的唯一来源至关重要。
• 由于AFTER中光子和喷注观测量不涉及碎片化，因此可实现对Qiu-Sterman函数的清晰提取，解决了π介子数据中存在的模糊性。