[论文解读] Electron Scattering with Polarized Targets at TESLA

N Study Group, M. Anselmino+40 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2000

Advanced Data Storage Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出在TESLA直线对撞机上开展一项高亮度极化电子-核子散射实验（TESLA-N），利用纵向极化的电子与固态靶（极化方向为横向或纵向）测量夸克自旋螺旋度与横向极化分布，精度前所未有。其主要贡献在于首次完整绘制出横向极化分布的x与Q²依赖关系，从而可直接检验量子色动力学在自旋领域的预测能力，并通过张量荷测量实现对手征奇异性算符的探测。

ABSTRACT

Measurements of polarized electron-nucleon scattering can be realized at the TESLA linear collider facility with projected luminosities that are about two orders of magnitude higher than those expected of other experiments at comparable energies. Longitudinally polarized electrons, accelerated as a small fraction of the total current in the e+ arm of TESLA, can be directed onto a solid state target that may be either longitudinally or transversely polarized. A large variety of polarized parton distribution and fragmentation functions can be determined with unprecedented accuracy, many of them for the first time. A main goal of the experiment is the precise measurement of the x- and Q^2-dependence of the experimentally totally unknown quark transversity distributions that will complete the information on the nucleon's quark spin structure as relevant for high energy processes. Comparing their Q^2-evolution to that of the corresponding helicity distributions constitutes an important precision test of the predictive power of QCD in the spin sector. Measuring transversity distributions and tensor charges allows access to the hitherto unmeasured chirally odd operators in QCD which are of great importance to understand the role of chiral symmetry. The possibilities of using unpolarized targets and of experiments with a real photon beam turn TESLA-N into a versatile next-generation facility at the intersection of particle and nuclear physics.

研究动机与目标

• 以前所未有的精度测量夸克横向极化分布的x与Q²依赖关系，其中许多分布此前尚不明确。
• 通过对比横向极化分布与螺旋度分布的Q²演化，对量子色动力学在自旋领域的预测能力进行精确检验。
• 通过张量荷的测量，实现对量子色动力学中手征奇异性算符的探测，这些算符通常无法通过标准电磁或弱探针探测。
• 通过确定极化部分子分布函数（包括胶子极化）完成核子角动量的分解。
• 通过实现使用非极化靶与真实光子束的实验，将TESLA-N确立为多功能下一代实验设施，弥合粒子物理与核物理之间的鸿沟。

提出的方法

• 利用TESLA设施专用的电子枪系统，产生每0.77 ns脉冲中含20,000个高度极化电子的束流，实现高亮度运行。
• 将极化电子束照射至可实现纵向或横向极化的固态靶，以探测不同自旋依赖的物理量。
• 采用三级谱仪系统，动量分辨率约为0.5%，角度分辨率约为0.3 mrad，以高精度测量散射电子与领先强子。
• 使用反冲探测器测量半微分过程中的反冲核子，这对获取横向极化分布至关重要。
• 利用TESLA的高质心系能量与高亮度（约10^34 cm⁻²s⁻¹）实现高统计量，从而实现对x与Q²的全面扫描覆盖。
• 通过半微分深度非弹性散射（SIDIS）过程提取横向极化分布，这些分布不出现在包容结构函数中。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在TESLA上通过极化电子-核子散射实验，以高精度测量夸克横向极化分布的完整x与Q²依赖关系？
• RQ2 横向极化分布的Q²演化与螺旋度分布相比如何？这对量子色动力学在自旋领域的预测能力意味着什么？
• RQ3 通过横向极化测量，张量荷与手征奇异性矩阵元的可探测程度如何？它们与手征偶性可观测量有何不同？
• RQ4 在所需亮度与分辨率条件下，使用极化束流与靶的固定靶电子-核子实验在TESLA上的可行性与性能如何？
• RQ5 TESLA-N能否作为多功能设施，支持极化与非极化散射实验，包括真实光子束实验，从而实现粒子物理与核物理的交叉研究？

主要发现

• TESLA-N实验将首次以高精度完成对螺旋度（Δq）与横向极化（δq）分布的x与Q²依赖关系的完整测绘。
• 横向极化分布与张量荷可被前所未有地精确测量，从而实现对量子色动力学中手征奇异性算符的探测，这些算符通常无法通过标准探测手段获取。
• 该实验可通过对比横向极化与螺旋度分布的Q²演化，对量子色动力学的预测进行高精度检验。
• 所提出的装置亮度约为同类实验的两个数量级，可在广阔动量空间范围内实现高统计量测量。
• 三级谱仪设计可实现约0.5%的动量分辨率与约0.3 mrad的角度分辨率，足以在大x区域实现Q²测量的几近百分之一水平精度。
• 使用非极化靶与真实光子束的可行性已得到验证，显著增强了实验的多功能性，并拓展了其在粒子物理与核物理领域的研究范围。