[论文解读] Azimuthal asymmetries in SIDIS di-hadron muoproduction off longitudinally polarized protons at COMPASS

Stefan Sirtl|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

本研究首次利用COMPASS实验中的μ子束流对自旋极化的质子进行横向极化测量，实现了在二 hadron 量半微量深度非弹性散射（SIDIS）中对方位角单自旋和双自旋不对称性的全面测量。该研究探测了与横动量依赖（TMD）和共线扭曲-3机制相关的效应，测得显著为正的单自旋不对称性 $A_{UL}^{\sin(\theta_{R})} = 0.0050 \pm 0.0010$（统计）$\pm 0.0007$（系统），为未知的螺旋度依赖部分子分布函数（PDF）$h_L(x)$ 提供了新探测途径，并对胶子-夸克关联进行了约束。

ABSTRACT

In this review a first comprehensive study of azimuthal asymmetries in semi-inclusive deep inelastic muoproduction of hadron pairs off longitudinally polarized protons at COMPASS is presented. The study is based on data taken in 2007 and 2011, obtained by impinging a high-energetic $μ^+$ beam of $160$ GeV/$\it{c}$, respectively $200$ GeV/$\it{c}$, momentum on a solid ammonia target. The discussion is focused on both leading and subleading longitudinal target-spin-dependent asymmetries arising in the di-hadron SIDIS cross section, addressing the role of spin-orbit couplings and quark-gluon correlations in the framework of collinear or transverse momentum dependent factorization.

研究动机与目标

• 测量自旋极化质子上的二 hadron SIDIS 中的方位角自旋不对称性，以探测自旋-轨道耦合与夸克-胶子关联。
• 通过主导扭曲阶不对称性，获取横动量依赖（TMD）部分子分布函数（PDF）$g_{1L}$ 和 $h_{1L}$。
• 研究次主导扭曲阶共线不对称性，以探测未知的PDF $h_L$ 和 $e_L$，特别是 $A_{UL}^{\sin(\phi_R)}$ 和 $A_{LL}^{\cos(\phi_R)}$。
• 为全球PDF与 fragmentation 函数（FF）分析提供高精度数据，并检验自旋依赖的 fragmentation 理论模型。

提出的方法

• 利用2007年和2011年实验数据，采用160和200 GeV/c的μ子束流轰击固态氨靶，靶中为纵向极化的质子。
• 定义两个关键方位角：$\phi_h$（强子平面）和 $\phi_R$（相对动量平面），基于强子动量的横向分量。
• 施加动量空间切割条件：$Q^2 > 1$ GeV²，$0.1 < y < 0.9$，$W > 5$ GeV/c²，$0.0025 < x < 0.7$，$z_{1,2} > 0.1$，$x_{F,1,2} > 0.1$，$E_{\text{miss}} > 3$ GeV，以及 $R_T > 0.07$，以确保平面定义的可靠性。
• 通过比值 $A_{XY}^{m(\phi_h,\phi_R)} = F_{XY}^{m(\phi_h,\phi_R)} / (F_{UU,T} + \varepsilon F_{UU,L})$ 提取不对称性，校正束流/靶极化与去极化效应。
• 采用TMD因子化方法解释主导扭曲阶不对称性，使用共线方法分析次主导扭曲阶效应。
• 由于能量依赖性可忽略，将不同束流能量的数据集合并，确保在宽广动量范围内具有高统计精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在二 hadron SIDIS 中，自旋极化质子上的主导扭曲阶TMD自旋不对称性的大小及其动量依赖性如何？
• RQ2 次主导扭曲阶共线不对称性，特别是 $A_{UL}^{\sin(\phi_R)}$，如何约束未知PDF $h_L(x)$？
• RQ3 所测得的不对称性在多大程度上支持或挑战夸克-胶子关联的Wandzura-Wilzcek关系？
• RQ4 所观测到的不对称性能否为横动量依赖PDF $h_{1L}$ 和扭曲-3 fragmentation 函数 $\tilde{D}^{\angle}$ 提供新约束？
• RQ5 与以往CLAS测量结果相比，本研究结果如何？其对全球PDF/FF拟合有何影响？

主要发现

• 单自旋不对称性 $A_{UL}^{\sin(\phi_R)}$ 测得为 $0.0050 \pm 0.0010$（统计）$\pm 0.0007$（系统），与CLAS在高-$x$区域先前观测到的非零信号一致。
• 双自旋不对称性 $A_{LL}^{\cos(\phi_R)}$ 测得为 $-0.0135 \pm 0.0064$（统计）$\pm 0.0046$（系统），在不确定度范围内与零一致，支持夸克-胶子关联可忽略的Wandzura-Wilzcek假设。
• 在 $x$、$z$ 或 $M_{\text{inv}}$ 的整个测量范围内，未观测到任何不对称性的显著动量依赖性，表明其在测量范围内分布平坦。
• 本研究首次在二 hadron SIDIS 中实现了对 $A_{UL}^{\sin(\phi_R)}$ 的高精度测量，为此前未知的PDF $h_L(x)$ 提供了直接探测途径。
• 全部九个主导扭曲阶TMD不对称性和两个次主导扭曲阶共线不对称性均以高精度测量，为自旋依赖部分子动力学提供了新约束。
• 该数据集适用于PDF与FF的全球拟合，为涉及自旋-轨道耦合与夸克-胶子关联的理论模型提供了有力验证。