[论文解读] Beam-Spin Azimuthal Asymmetries in Pion Electroproduction at HERMES

HERMES Collaboration, E. Avetisyan|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本研究首次在HERMES实验中利用极化电子/正电子束与内气靶，测量了半包容π介子电荷生产中的束自旋方位角不对称性。$π^{+}$ 不对称性为正值（约2%），并随$z$增大而增加，与包含Collins函数和横动量分布的理论模型一致；而$π^{-}$和$π^{0}$不对称性在不确定度范围内与零一致。

ABSTRACT

We present the measurement of Single Beam-Spin Azimuthal Asymmetries in pion electroproduction off hydrogen in semi-inclusive deep inelastic scattering (SIDIS). The measurement was made using the HERMES spectrometer with an internal gas target and the polarized 27.6 GeV electron(positron) beam of HERA using the data taken during the years 1996-2000. The $\sinϕ$ modulation of the azimuthal asymmetry was measured for semi-inclusive $π^+,π^-$ and $π^0$. The dependence of the asymmetry on the Bjorken $x$, pion relative ($z$) and transverse ($P_T$) momentum is presented. Results are compared to theoretical model calculation.

研究动机与目标

• 在HERA上测量半包容π介子电荷生产中的束自旋方位角不对称性（$A_{LU}^{\sin\phi}$）。
• 探究横动量依赖（TMD）部分子分布函数与 fragmentation 函数，特别是Collins函数。
• 将先前CLAS实验的测量扩展至更低的$x$和更高的$Q^2$区域。
• 评估独态矢量介子衰变对半包容π介子样本的贡献及其对不对称性测量的影响。

提出的方法

• 利用HERMES谱仪，采用极化27.6 GeV电子/正电子束与内气靶，数据获取时间为1996–2000年。
• 通过相反束自旋态的事件计数差异，归一化至总事件数与束极化度，测量$A_{LU}^{\sin\phi}$。
• 应用动量学截断：$1 < Q^2 < 15$ GeV$^2$，$0.023 < x < 0.4$，$W^2 > 4$ GeV$^2$，$y < 0.85$，以及$0.5 < z < 0.8$，用于研究$x$与$P_T$依赖性。
• 通过跃迁辐射、Čerenkov/RICH探测器及电磁量能器实现粒子识别，分离$\pi^+$、$\pi^-$与$\pi^0$。
• 利用不变质量重建（$M_{\gamma\gamma}$）与组合背景估计，对$\pi^0$进行背景扣除。
• 利用Pythia蒙特卡洛模拟与正则性/动量学约束，估算独态矢量介子（$\rho^0$、$\omega$与带电$\rho$）衰变带来的系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低$x$与高$Q^2$区域，半包容$\pi^+$电荷生产中的束自旋方位角不对称性的大小及其$z$依赖性如何？
• RQ2 $\pi^-$与$\pi^{0}$的不对称性与$\pi^+$相比如何？它们在不确定度范围内是否与零一致？
• RQ3 独态矢量介子衰变（如$\rho^0 \to \pi^+\pi^-$）的贡献在多大程度上影响了测量到的不对称性？
• RQ4 理论TMD模型（特别是涉及Collins函数的模型）在多大程度上能描述观测到的$\pi^+$不对称性？

主要发现

• $\pi^+$的束自旋方位角不对称性$A_{LU}^{\sin\phi}$为正值，大小约为2%，且随$z$增加呈现清晰上升趋势。
• $\pi^+$不对称性的$x$与$P_T$依赖性在最低与最高区间显示出衰减的迹象，但统计上不显著。
• $\pi^{-}$与$\pi^{0}$的不对称性在统计不确定度范围内与零一致，未观察到显著的$z$依赖性。
• $\pi^+$不对称性与包含$e(x)H_{1}^{\perp}(z)$与$h_{1}^{\perp}(x)E(z)$项的夸克-二夸克模型预测定性一致。
• 在考虑动量空间差异后，$\pi^+$与$\pi^-$的测量结果与JLab的CLAS数据一致。
• 通过Pythia蒙特卡洛模拟估算独态矢量介子贡献；由此产生的解释不确定性以阴影带形式显示在$x$与$P_T$依赖性图中。