[论文解读] Physics case for a polarised target for AFTER@LHC

Jean-Philippe Lansberg, M. Anselmino+28 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出在AFTER@LHC固定靶实验中使用极化靶，以实现对Drell-Yan、喷注、π介子和底夸克偶素产生过程中单自旋横动量不对称性（STSAs）的高精度测量。该设置将首次直接探测胶子Sivers效应，并利用高亮度LHC束流和优化的探测器覆盖范围（$2 < y_{\rm Lab} < 5$），对夸克Sivers函数在大$ x^\uparrow $区域的符号变化提供关键检验。主要贡献在于为AFTER@LHC设立专门的自旋物理计划提供了全面的物理依据。

ABSTRACT

We review a number of ideas put forward in favour of the use of a polarised target along with the proposed idea of a fixed-target experiment using the LHC beams -- AFTER@LHC. A number of recent studies have shown that single transverse-spin asymmetries (STSAs) are large enough to be precisely measured in the region accessible with AFTER@LHC, in particular as regards the Drell-Yan process as well as single-pion, isolated-photon and jet production. AFTER@LHC with a polarised target would also be the ideal experimental set-up to measure the gluon Sivers effect via a number of original quarkonium STSA studies. We discuss first figures-of-merit based on simulations for AFTER@LHC with a polarised target.

研究动机与目标

• 为在AFTER@LHC固定靶实验中实施极化靶建立强有力的物理依据。
• 实现对敏感于横动量依赖（TMD）部分子分布过程的单自旋横动量不对称性（STSAs）的高精度测量。
• 在大$ x^\uparrow $区域探测夸克Sivers函数，并检验其相对于半包容深度非弹性散射中预测的符号变化。
• 通过偶素STSAs测量获取胶子Sivers效应，解决核子自旋分解中一个关键缺失环节。
• 为研究QCD中初态和末态相互作用及因子化破坏动力学，提供一个独特且高亮度的实验平台。

提出的方法

• 利用LHC束流在固定靶模式下运行，并结合极化靶，通过实验室参考系与质心参考系之间的大洛伦兹提升效应，探测高-$ x^\uparrow $区域。
• 采用弯曲晶体束流引出技术，将一小部分LHC束流粒子偏转，以实现与极化靶的清洁、准直的相互作用。
• 将内部极化气体靶作为弯曲晶体的替代方案，为自旋物理提供高极化度和高亮度。
• 利用真实探测器接受度和背景模型，对Drell-Yan、$ J/\psi $、$ \Upsilon $、孤立光子和喷注的事件产额及STSAs的性能指标进行模拟。
• 应用组合背景减法技术和顶点重建方法，分离重味夸克贡献并测量其STSAs。
• 分析$ k_T $-依赖可观测量（如$ J/\psi $对产生）的微分不对称性，以探测胶子TMD分布和胶子Sivers函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在AFTER@LHC中使用极化靶，是否能够以足够高的精度测量大$ x^\uparrow $区域的夸克Sivers函数，从而检验其符号变化的预测？
• RQ2 在目前尚无直接实验访问的情况下，$ J/\psi $和$ \Upsilon $产生中的STSAs在多大程度上可约束胶子Sivers函数？
• RQ3 在真实亮度和极化条件下，Drell-Yan、孤立光子和喷注产生中STSAs的预期性能指标如何比较？
• RQ4 在远后向区域的$ J/\psi $对产生是否可通过$ k_T $-依赖不对称性提供对胶子Sivers效应的清晰探测？
• RQ5 测量二轻子或二光子末态中的STSAs以探测扭曲-3关联函数和Sivers效应之外的TMD分布是否可行？

主要发现

• 在$ A_N^{J/\psi} \approx 0.025 $条件下，$ J/\psi $产生的STSAs在$ 2 < y_{\rm Lab} < 5 $范围内可实现足够高的精度测量，其不确定性在所提装置的可实现范围内。
• 在高$ Q^2 $（即大$ x^\uparrow $）区域，Drell-Yan STSAs预计较大且可测量，为检验夸克Sivers函数符号变化提供了独特测试。
• $ J/\psi + J/\psi $产生的产额足够高，可实现微分$ k_T $-依赖STSAs测量，从而直接探测胶子Sivers函数。
• 通过顶点探测器识别位移顶点，可有效抑制μ子连续谱中的重味夸克背景，从而实现对粲夸克和底夸克贡献的独立STSAs研究。
• 高亮度与从$ y_{\rm Lab} \approx 2 $到$ 5 $的探测器覆盖范围相结合，确保了多种过程中的STSAs可实现高显著性测量。
• 预计采用HERMES型极化靶的方案，在自旋物理的极化度和亮度方面，将优于当前所有运行中及计划中的实验。