[论文解读] Partonic Structure of Light Nuclei

W. Armstrong, J. Arrington+46 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2017

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 34被引用 5

一句话总结

该论文提出使用CLAS12探测器和新型低能反冲探测器（ALERT）对⁴He核子的部分子结构开展高精度研究，方法为相干深度虚拟康普顿散射（DVCS）和独家φ介子电产生。通过测量宽动量范围内的束自旋不对称性和微分截面，实验旨在提取夸克与胶子的模型无关横向空间分布，实现对致密轻核中夸克与胶子半径的首次直接比较。

ABSTRACT

We propose to study the partonic structure of $^4$He by measuring the Beam Spin Asymmetry (BSA) in coherent Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS) and the differential cross-section of the Deeply Virtual Meson Production (DVMP) of the $ϕ$. Despite its simple structure, a light nucleus such as $^4$He has a density and a binding energy comparable to that of heavier nuclei. Therefore, by studying $^4$He nucleus, one can learn typical features of the partonic structure of atomic nuclei. The combination of CLAS12 and the ALERT detector provides a unique opportunity to study both the quark and gluon structure of a dense light nucleus. Coherent exclusive DVCS off $^4$He will probe the transverse spatial distribution of quarks in the nucleus as a function of the quarks' longitudinal momentum fraction, $x$. In parallel, the average spatial transverse gluon density of the $^4$He nucleus will be extracted within a GPD framework using the measured longitudinal cross-section for coherent $ϕ$ production in a similar range of $x$. Additionally, threshold effects of $ϕ$ production can be explored by exploiting the ALERT detector's large acceptance for low $|t|$ events.

研究动机与目标

• 利用相干独家DVCS和φ介子电产生，首次实现对⁴He核的模型无关三维重构。
• 通过提取康普顿形式因子（CFFs）的实部与虚部，测量⁴He中夸克与胶子的横向空间分布。
• 通过相干DVCS和φ产生的独家测量，比较致密轻核中夸克与胶子的半径。
• 通过标记反冲核并测量核子离壳度依赖的EMC比值，研究束缚核子中的介质效应。
• 通过⁴He和氘核上的非相干准粒子标记DVCS，分离广义部分子分布（GPDs）中的核效应。

提出的方法

• 利用配备低能反冲探测器（ALERT）的CLAS12探测器，ALERT为立体漂移室与闪烁体阵列，用于探测低动量反冲核并重建独家末态。
• 使用11 GeV纵向极化电子束（极化度80%，最高达1000 nA）轰击3 atm压力下的气态⁴He和氘核靶，实现最高达$6 \times 10^{34}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$的亮度。
• 通过$K^+K^-$和$K^0_S K^0_L$衰变道，测量相干DVCS中的束自旋不对称性（BSA）和独家φ介子电产生的微分截面。
• 利用完全独家的运动学条件，获取广义部分子分布（GPDs），并通过拟合角分布提取⁴He康普顿形式因子$H_A$的实部与虚部。
• 使用模拟的Bethe-Heitler（BH）事例验证预测结果，确认所用参数化截面和统计不确定性的可靠性。
• 在$x_B$、$Q^2$和$-t$上进行运动学分箱，以提取CFFs，并在影响动量空间（$b_\perp$）中重建部分子密度分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 从康普顿形式因子$H_A$的实部与虚部提取的⁴He核中夸克的横向空间分布是什么？
• RQ2 ⁴He中夸克与胶子的半径如何比较？独家φ介子电产生能否提供对胶子结构的直接测量？
• RQ3 介质效应在多大程度上改变了束缚核子的部分子结构？这由EMC比值对核子离壳度的依赖关系揭示。
• RQ4 如何通过⁴He和氘核上的非相干准粒子标记DVCS，将核效应与单核子GPDs分离？
• RQ5 影响动量空间中重建的部分子密度分布的精度如何？其对运动学变量的依赖关系是怎样的？

主要发现

• 将通过相干DVCS中的束自旋不对称性，以模型无关方式提取⁴He康普顿形式因子$H_A$的实部与虚部。
• 首次测量到相干独家φ介子电产生在⁴He上的微分截面，覆盖$|t| \leq 0.6$ GeV$^2$，包括首次观测到的弹性最小值。
• 对$H_A$虚部的投影统计不确定性将允许以高精度重建影响动量空间（$b_\perp$）中的夸克密度分布。
• ALERT探测器有望实现高效的本底抑制和低材料预算的低能反冲核探测，这对标记独家过程至关重要。
• 使用纯Bethe-Heitler事例的模拟结果证实，预测中使用的参数化截面有效，且能准确再现预期的统计不确定性。
• 束自旋不对称性$A_{LU}(90^\circ)$的投影精度在$-t$范围内可达到亚10%，优于CLAS-eg6和HERMES的先前测量结果。