[论文解读] First Measurement of the Interference Fragmentation Function in $e^+e^-$ at Belle

A. Vossen, R. Seidl+4 more|ArXiv.org|Dec 2, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 3

一句话总结

该论文首次利用Belle实验的661 fb⁻¹数据，在$e^+e^-$碰撞中直接测量了二 hadron 干涉 fragmentation 函数（IFF），在π⁺π⁻对产生过程中观测到显著的$\cos(\phi_1 + \phi_2)$方位调制。测得的不对称性最高达10%，证实了轻夸克的非零IFF，并通过与SIDIS和质子-质子数据结合，为模型无关地提取夸克横向极化分布提供了手段。

ABSTRACT

A first measurement of the di-hadron interference fragmentation function of light quarks in pion pairs with the Belle detector is presented. The chiral odd nature of this fragmentation function allows the use as a quark polarimeter sensitive to the transverse polarization of the fragmenting quark. Therefore it can be used together with data taken at fixed target and collider experiments to extract the quark transversity distribution. A sample consisting of $711 imes 10^6$ di-hadron pairs was extracted from 661 $fb^{-1}$ of data recorded near the $Υ(4S)$ resonance delivered by the KEKB $e^+$$e^{-}$ collider.

研究动机与目标

• 首次利用Belle探测器测量$e^+e^-$碰撞中的二 hadron 干涉 fragmentation 函数（IFF）。
• 通过结合IFF数据与SIDIS及质子-质子碰撞结果，提供一种模型无关的手段以提取夸克横向极化分布。
• 通过使用避免Sudakov抑制的通用共线IFF，减少对横动量依赖（TMD）fragmentation模型的依赖。
• 在高不变质量下，区分轻夸克与粲夸克对IFF不对称性的贡献。
• 为未来提取非极化fragmentation函数及在其他强子末态（如中性π介子和K介子）中研究IFF铺平道路。

提出的方法

• 利用Belle探测器分析在$\Upsilon(4S)$共振能区附近收集的661 fb⁻¹ $e^+e^-$碰撞数据。
• 通过将强子对平面相对于事件平面的方位角调制$\cos(\phi_1 + \phi_2)$定义干涉fragmentation函数，其中$\phi_\alpha$为每个半球中向量$\mathbf{R}_\alpha = \mathbf{P}_{h1} - \mathbf{P}_{h2}$与事件平面之间的夹角。
• 利用$e^+e^-$湮灭中夸克与反夸克之间100%的自旋关联，无需束流或靶极化即可隔离IFF信号。
• 测量不对称性$a_{12}(y,z_1,z_2,m_1,m_2) \propto \cos(\phi_1 + \phi_2)$，其中运动学因子$B(y) = \sin^2\theta / (1 + \cos^2\theta)$用于描述夸克横向极化。
• 在$z_1, z_2$（强子能量分数）和$m_1, m_2$（强子对的不变质量）上进行分箱，并对$y$积分以降低对运动学截断的敏感性。
• 使用蒙特卡洛模拟校正探测器效应，并估算系统误差，包括粲夸克和$B$-介子衰变的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$e^+e^-$碰撞中，二 hadron 干涉 fragmentation 函数的大小及其动量依赖性如何？
• RQ2 在高于$\rho$介子质量的不变质量区域，IFF是否如某些模型预测的那样出现符号变化或减小？
• RQ3 在高不变质量下，粲夸克在观测到的$\cos(\phi_1 + \phi_2)$不对称性中贡献了多少？
• RQ4 是否可以不依赖TMD fragmentation模型或Sudakov抑制，在$e^+e^-$碰撞中直接测量IFF？
• RQ5 在$e^+e^-$中测量的IFF与SIDIS和质子-质子碰撞结果相比，对提取横向极化分布有何影响？

主要发现

• 首次利用Belle实验的661 fb⁻¹数据，在$e^+e^-$碰撞中直接测量了IFF，积分所有分箱后的不对称性为$a_{12} = -0.0199 \pm 0.0002 \pm 0.0009$。
• 在特定$z$和$m$分箱中，不对称性最高达10%，表明IFF贡献显著，尤其在较高$z$值时。
• 在高于$\rho$介子质量的不变质量区域未观测到IFF符号变化；相反，不对称性趋于平缓，与部分一阶微扰理论模型预测相矛盾。
• 在高不变质量下，粲夸克对不对称性有显著贡献，其在粲夸克识别样本中的不对称性为$-0.446 \pm 0.041$，其大小与轻夸克贡献相当。
• 测得的不对称性对探测器窗口切割和探测器效应具有鲁棒性，系统误差控制良好，并在不同分析配置中保持一致。
• 结果支持将IFF作为通用、模型无关的工具，结合SIDIS和质子-质子碰撞数据，用于提取夸克横向极化分布。