[论文解读] Transverse target single-spin asymmetry in inclusive electroproduction of charged pions and kaons

The HERMES Collaboration, A. Airapetian+130 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 50被引用 5

一句话总结

本研究利用德国 DESY 的 HERMES 实验，测量了在带电π介子和K介子的深浅弹性电荷产生过程中，横向极化的靶粒子的横向靶单自旋不对称性（SSAs）。研究发现显著的 $\rm sin\psi$-不对称性，其中 $K^+$ 的 $\rm sin\psi$ 振幅最大可达 0.08，$\pi^+$ 的 $\rm sin\psi$ 振幅最大可达 0.06，且在 $P_T \approx 0.8$ GeV 时表现出强敏感性，表明对横动量依赖的部分子分布（TMD）特别对 Sivers 函数敏感，并暗示了核子中自旋-轨道关联的存在。

ABSTRACT

Single-spin asymmetries were investigated in inclusive electroproduction of charged pions and kaons from transversely polarized protons at the HERMES experiment. The asymmetries were studied as a function of the azimuthal angle $ψ$ about the beam direction between the target-spin direction and the hadron production plane, the transverse hadron momentum relative to the direction of the incident beam, and the Feynman variable $x_F$. The $\sin(ψ)$ amplitudes are positive for positive pions and kaons, slightly negative for negative pions and consistent with zero for negative kaons, with particular transverse-momentum but weak $x_F$ dependences. Especially large asymmetries are observed for two small subsamples of events, where also the scattered electron was recorded by the spectrometer.

研究动机与目标

• 测量从横向极化质子中产生的带电π介子和K介子的深浅弹性电荷产生过程中，横向靶单自旋不对称性（SSAs）。
• 研究 SSAs 对方位角 $\psi$、横向强子动量 $P_T$ 和费曼变量 $x_F$ 的依赖关系。
• 在高阶扭曲效应和横动量依赖（TMD）部分子分布的背景下，探究大 SSAs 的起源，特别是 Sivers 函数的作用。
• 评估独显过程和准独显过程在塑造观测到的不对称性中的作用，尤其是在高 $z$（强子能量分数）区域。

提出的方法

• 利用 DESY 的 HERMES 实验，该实验采用横向极化的氢靶和 27.6 GeV 的电子束。
• 在深度非弹性散射（DIS）和近乎真实光致产生（$Q^2 \approx 0$）过程中，测量带电π介子（$\pi^+, \pi^-$）和K介子（$K^+, K^-$）的包容性电荷产生过程。
• 对不对称性振幅在 $P_T$ 和 $x_F$ 上进行二维分箱，以分离运动学依赖性。
• 提取作为 $P_T$ 和 $x_F$ 函数的 $\rm sin\psi$-不对称性振幅，分别针对 DIS（$Q^2 > 0$）和光致产生（$Q^2 \approx 0$）的运动学区域进行分析。
• 将结果与基于 TMD 分解的理论模型进行比较，特别关注 Sivers 函数以及受控/未受抑制的碎片化贡献。
• 分析包含探测到的散射电子的子样本，以分离高 $Q^2$ 和独显过程的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包容性电荷产生过程中，横向单自旋不对称性的大小及其运动学依赖性如何？
• RQ2 不对称性如何随横向强子动量 $P_T$ 和费曼变量 $x_F$ 变化？这对基本部分子动力学意味着什么？
• RQ3 观测到的不对称性在多大程度上可由高阶扭曲效应或 TMD 部分子分布（如 Sivers 函数）解释？
• RQ4 独显或准独显过程是否对观测到的不对称性有显著贡献，特别是在高 $z$ 区域？
• RQ5 观测到的不对称性是否与上夸克和下夸克 Sivers 函数的拟合结果一致？

主要发现

• $\rm sin\psi$-不对称性振幅为正，在 $P_T \approx 0.8$ GeV 时达到最大值，$\pi^+$ 约为 0.06，$K^+$ 约为 0.08。
• 对于 $\pi^-$，不对称性振幅略为负，而对于 $K^-$ 则与零一致，表明其碎片化机制不同。
• 不对称性振幅随 $P_T$ 从低 $P_T$ 时的零值平滑上升，在 $P_T \approx 0.8$ GeV 附近达到峰值，随后在更高 $P_T$ 时下降。
• 对于 $\pi^+$，在同时对 $P_T$ 和 $x_F$ 分箱时，不对称性几乎与 $x_F$ 无关；然而，经 $P_T$ 积分后出现的 $x_F$ 依赖性，实则源于 $P_T$ 的依赖性。
• 在二维提取中，$\pi^-$ 的不对称性振幅随 $x_F$ 增加而减小，而 $K^+$ 的则随 $x_F$ 增加而增大。
• 在 $0.2 < z < 0.7$ 的 DIS 子样本中观测到极大的不对称性，尤其对 $\pi^+$ 和 $K^+$，表明受控夸克碎片化起主导作用，且可能存在独显过程的贡献。