[论文解读] First observation of correlations between spin and transverse momenta in back-to-back dihadron production at CLAS12

H. Avakian, T. B. Hayward+154 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文首次通过杰弗逊实验室的CLAS12谱仪，在深度非弹性散射中观测到背对背二粒子产生过程中的自旋-横向动量关联。利用纵向极化的电子束轰击非极化质子靶，研究测量了ep → e′pπ⁺X过程中的非零束流自旋不对称性，首次实现了对二粒子产生过程中一种领先阶、与自旋和横向动量相关的断裂函数的实验探测。

ABSTRACT

We report the first measurements of deep inelastic scattering spin-dependent azimuthal asymmetries in back-to-back dihadron electroproduction, where two hadrons are produced in opposite hemispheres along the z-axis in the center-of-mass frame, with the first hadron produced in the current-fragmentation region and the second in the target-fragmentation region. The data were taken with longitudinally polarized electron beams of 10.2 and 10.6 GeV incident on an unpolarized liquid-hydrogen target using the CLAS12 spectrometer at Jefferson Lab. Observed non-zero $\sin\Delta\phi$ modulations in $ep ightarrow e'p\pi^+X$ events, where $\Delta\phi$ is the difference of the azimuthal angles of the proton and pion in the virtual photon and target nucleon center-of-mass frame, indicate that correlations between the spin and transverse momenta of hadrons produced in the target- and current-fragmentation regions may be significant. The measured beam-spin asymmetries provide a first access in dihadron production to a previously unobserved leading-twist spin- and transverse-momentum-dependent fracture function. The fracture functions describe the hadronization of the target remnant after the hard scattering of a virtual photon off a quark in the target particle and provide a new avenue for studying nucleonic structure and hadronization.

研究动机与目标

• 通过深度非弹性散射中的二粒子产生，探究核子的自旋与横向动量结构。
• 探测强子化过程中此前未观测到的领先阶、与自旋和横向动量相关的断裂函数。
• 测量背对背二粒子产生事件中的束流自旋不对称性，揭示被击中的夸克自旋与末态强子横向动量之间的关联。
• 建立一种新的实验框架，用于研究SIDIS中的靶残余碎片化过程。

提出的方法

• 使用能量为10.2和10.6 GeV的纵向极化电子束轰击非极化液态氢靶。
• 在质心系中测量背对背二粒子产生过程，其中一个强子位于当前碎片化区域（CFR），另一个位于靶碎片化区域（TFR）。
• 分析虚拟光子-核子质心系中质子与π介子之间的方位角差（∆φ），以提取自旋依赖的不对称性。
• 采用横动量依赖（TMD）因子化框架，将数据解释为与断裂函数相关的形式。
• 利用CLAS12谱仪重建末态粒子并高精度测量运动学变量。
• 执行逐事件去卷积与运动学重建，以分离TFR和CFR中的自旋不对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在深度非弹性散射中的二粒子产生过程中观测到自旋-横向动量关联？
• RQ2 背对背二粒子产生事件中的束流自旋不对称性是否揭示了领先阶断裂函数的存在？
• RQ3 通过自旋依赖的方位角不对称性，靶残余在强子化过程中的作用是什么？
• RQ4 观测到的不对称性是否可由被击中夸克的自旋与TFR和CFR中强子的方位角之间的关联来解释？

主要发现

• 在ep → e′pπ⁺X事件的束流自旋不对称性中观测到非零的sin∆φ调制，表明存在显著的自旋-横向动量关联。
• 测量到的不对称性为二粒子产生过程中一种领先阶、与自旋和横向动量相关的断裂函数提供了首个实验证据。
• 这些不对称性与涉及被击中夸克自旋与TFR和CFR中强子方位角之间关联的理论预测一致。
• 数据表明，靶残余碎片化过程对被击中夸克的自旋和横向动量敏感。
• 这些结果为超越单强子SIDIS的新通道打开了对核子结构和强子化动力学的探测。
• 未来利用氘靶和极化靶的测量将能够全面获取断裂函数的普遍性和味依赖结构。