[论文解读] Hard Collisions of Spinning Protons - History and Future

A. D. Krisch|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2010

Computational Physics and Python Applications参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文回顾了高能质子-质子弹性散射的历史与未来，强调了极化质子碰撞中未解释的显著横向自旋效应。文章提议在俄罗斯IHEP-Protvino的70 GeV U-70和日本J-PARC开展新实验，以在高 $P_t^2$ 条件下测量自旋不对称性 $A_n$ 和 $A_{nn}$，旨在指导基于量子色动力学（QCD）的模型修改，因为当前模型无法解释高能下持续存在的自旋效应。

ABSTRACT

There will be a review of the history of polarized proton beams, and a discussion of the unexpected and still unexplained large transverse spin effects found in several high energy proton-proton spin experiments at the ZGS, AGS, Fermilab and RHIC. Next there will be a discussion of possible future experiments on the violent collisions elastic collisions of polarized protons at the 70 GeV U-70 accelerator at IHEP-Protvino in Russia and the new high intensity 50 GeV J-PARC at Tokai in Japan.

研究动机与目标

• 回顾极化质子束的历史发展及其在揭示高能质子-质子散射中意外自旋依赖效应方面的作用。
• 突出QCD预测与实验数据在自旋不对称性 $A_n$ 和 $A_{nn}$ 上的持续差异，特别是在高 $P_t^2$ 和高能区域。
• 倡导在俄罗斯70 GeV U-70加速器和日本50 GeV J-PARC开展新的高精度实验，以测量硬散射区域的弹性散射和自旋不对称性。
• 基于理论必须与可重复数据一致的原则，为强相互作用理论的修改提供实验指导。
• 重新确立边缘峰和光学模型在理解质子结构与自旋依赖动力学中的重要性。

提出的方法

• 分析从ZGS（5–12 GeV）到CERN ISR（2800 GeV²）的历史数据，绘制质子-质子弹性截面与归一化 $P_t^2$ 变量的关系图。
• 对边缘峰斜率（$\sim$10 (GeV/c)⁻²）进行傅里叶变换，推断出约1费米的高斯相互作用半径。
• 将截面分离为三个分量：小-$P_t^2$ 弹性散射（高斯半径 ~1 fm），中等-$P_t^2$ 分量（斜率 ~3 (GeV/c)⁻²），以及大-$P_t^2$ 硬散射（斜率 ~1.5 (GeV/c)⁻²）。
• 在弹性散射中使用自旋 entangled 初始态，以测量自旋依赖截面 $\sigma_{\uparrow\uparrow}$ 和 $\sigma_{\uparrow\downarrow}$，从而提取自旋不对称性 $A_{nn}$ 和 $A_n$。
• 将费米实验室和RHIC的 inclusive 产生π介子数据中实验测得的自旋不对称性 $A_n$ 与QCD预测进行比较。
• 提议在IHEP-Protvino的SPIN@U-70实验中，利用12特斯拉的超冷自旋极化喷流和自旋极化质子靶，测量 $P_t^2 \sim 12$ (GeV/c)⁻² 条件下的 $A_n$。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在高 $P_t^2$ 和高能条件下，质子-质子散射中仍存在显著的横向自旋效应，与QCD预测相悖？
• RQ2 为何中等-$P_t^2$ 分量（斜率 ~3 (GeV/c)⁻²）在TeV能量下消失？其起源是什么？
• RQ3 为何大-$P_t^2$ 分量（斜率 ~1.5 (GeV/c)⁻²）与边缘峰发生相消干涉，且主要为虚数？
• RQ4 尽管美国-俄罗斯PUoAE协议被中止，SPIN@U-70实验是否仍能在IHEP-Protvino测量 $P_t^2 \sim 12$ (GeV/c)⁻² 条件下的 $A_n$ 和 $A_{nn}$？
• RQ5 在J-PARC使用50 GeV高流强自旋极化束的类似实验，是否能提供数十年来首次关于硬弹性自旋效应的新数据？

主要发现

• 小-$P_t^2$ 边缘峰的斜率为 ~10 (GeV/c)⁻²，对应约1费米的高斯相互作用半径，与光学模型一致。
• 中等-$P_t^2$ 分量（斜率 ~3 (GeV/c)⁻²）在TeV能量下消失，可能源于质子的直接弹性散射，其振幅为实数。
• 大-$P_t^2$ 分量（斜率 ~1.5 (GeV/c)⁻²）的半径约为0.3费米，且主要为虚数，表明其主要为衍射性，可能源于质子组分的直接相互作用。
• 在12 GeV时，边缘峰中自旋平行与自旋反平行截面几乎相等，表明软散射区域无显著自旋依赖性。
• 费米实验室和RHIC关于 inclusive 产生π介子的数据表明，$\pi^+$ 和 $\pi^-$ 的 $A_n$ 值大小相近但符号相反，而 $\pi^0$ 的 $A_n$ 值较小且为正，与QCD预测相矛盾。
• SPIN@U-70实验于2002年3月前已在IHEP-Protvino完全安装，但其探测器运输被扣押8个月，因美国-俄罗斯PUoAE协议中止，导致实验延迟。