[论文解读] Measurement of Azimuthal Modulations in the Cross-Section of Di-Pion Pairs in Di-Jet Production from Electron-Positron Annihilation

P. H. Hansen, I. Adachi+419 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2015

Muon and positron interactions and applications被引用 9

一句话总结

本研究首次利用Belle实验测量了电子-posit电子湮灭中二π介子对产生的方位角调制。对敏感于自旋依赖的 fragmentation 函数 $G_1^\perp$ 的 $\cos[2(\Phi_{R_1}-\Phi_{R_2})]$ 调制的振幅，在统计和系统误差范围内与零一致，系统误差范围从低质量、低 $z$ 时的 $2 \times 10^{-3}$ 到高质量、高 $z$ 时的 $5 \times 10^{-3}$。二π介子样本纯度超过90%，其中粲夸克贡献平均占18%，探测器效应通过 Pythia、EvtGen 和 GEANT3 模拟。

ABSTRACT

We present an extraction of azimuthal correlations between two pairs of charged pions detected in opposite jets from electron-positron annihilation. These correlations may arise from the dependence of the di-pion fragmentation on the polarization of the parent quark in the process $e^+e^- ightarrow q \bar{q}$. Due to the correlation of the quark polarizations, the cross-section of di-pion pair production, in which the pion pairs are detected in opposite jets in a dijet event, exhibits a modulation in the azimuthal angles of the planes containing the hadron pairs with respect to the production plane. The measurement of this modulation allows access to combinations of fragmentation functions that are sensitive to the quark's transverse polarization and helicity. Within our uncertainties we do not observe a significant signal from the previously unmeasured helicity dependent fragmentation function $G_1^\perp$. This measurement uses a dataset of 938~fb$^{-1}$ collected by the Belle experiment at or near $\sqrt{s}\approx10.58$ GeV.

研究动机与目标

• 测量电子-positron湮灭中包含二π介子对的二喷注事例中的方位角角关联。
• 通过二π介子截面中 $\cos[2(\Phi_{R_1}-\Phi_{R_2})]$ 调制探测自旋依赖的 fragmentation 函数 $G_1^\perp$。
• 评估轻夸克和粲夸克在 fragmentation 过程中的贡献。
• 量化探测器展宽和事例选择截断边缘效应对不对称性测量的系统误差。
• 检验来自部分波展开中 $p$-波干涉的 $G_1^\perp$ 理论预测。

提出的方法

• 分析使用在 KEK $e^+e^-$ 对撞机上、能量为 $\sqrt{s} \approx 10.5$ GeV 处收集的 Belle 实验数据。
• 利用运动学和拓扑约束，选择包含两组π介子对的喷注事例，以分离二喷注构型。
• 在事例的质心系中测量两组π介子对之间的方位角差 $\Phi_{R_1} - \Phi_{R_2}$，以提取 $\cos[2(\Phi_{R_1}-\Phi_{R_2})]$ 调制。
• 利用 Monte Carlo 模拟估算系统误差，其中 Pythia 用于部分子辐射，EvtGen 用于衰变，GEANT3 用于探测器响应。
• 二π介子样本纯度高于90%，其余部分归因于奇异强子污染，粲夸克贡献平均为18%。
• 作为二π介子不变质量 $M$ 和动量分数 $z$ 的函数，提取不对称性 $A^{\cos[2(\Phi_{R_1}-\Phi_{R_2})]}$，并评估其统计误差与系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在二π介子对产生中，$\cos[2(\Phi_{R_1}-\Phi_{R_2})]$ 调制是否表现出非零信号，表明 $G_1^\perp$ fragmentation 函数非零？
• RQ2 粲夸克 fragmentation 的贡献如何影响测量的方位不对称性？
• RQ3 探测器展宽和事例选择截断边缘效应在多大程度上导致不对称性测量的偏差？
• RQ4 当限制衰变角 $\theta_{\text{decay}}$ 使得 $\cos(\theta_{\text{decay}}) > 0$ 时，是否存在非零 $G_1^\perp$ 振幅的证据？
• RQ5 $G_1^\perp$ 部分波展开中的 $p$-波干涉是否导致不对称性出现可测量的增强？

主要发现

• 在统计误差范围内，$\cos[2(\Phi_{R_1}-\Phi_{R_2})]$ 调制的振幅与零一致，统计误差对称，幅度量级约为 $10^{-3}$。
• 不对称性的系统误差不对称，范围从低 $M$ 和低 $z$ 时的 $2 \times 10^{-3}$ 到高 $M$ 和高 $z$ 时的 $5 \times 10^{-3}$，主要贡献来自探测器展宽和事例选择截断边缘效应。
• 二π介子样本纯度超过90%，其余10%归因于奇异强子污染，粲夸克贡献平均为18%，随 $z$ 从21%单调下降至5%。
• 将衰变角 $\theta_{\text{decay}}$ 限制在 $\cos(\theta_{\text{decay}}) > 0$ 区域并未使 $G_1^\perp$ 振幅显著非零，支持零结果。
• 在整个 $M$ 和 $z$ 相空间中，测量的不对称性未表现出显著偏离零，表明在此动量空间区域中，$G_1^\perp$ fragmentation 函数无非零证据。