[论文解读] Spin asymmetry for proton-deuteron Drell-Yan process with tensor-polarized deuteron

S. Kumano, Qin-Tao Song|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

该论文通过拟合 HERMES 实验中 $b_1$ 数据的张量极化部分子分布函数（PDF）参数化，理论上计算了质子-氘核 Drell-Yan 过程中的张量极化自旋不对称性。结果表明，不对称性量级为百分之几，表明费米实验室-E1039 实验可探测张量极化反夸克分布，这对解决 HERMES 数据与传统模型之间的差异至关重要。

ABSTRACT

Tensor structure of the deuteron can be studied by deep inelastic scattering and Drell-Yan process to understand it in terms of quark and gluon degrees of freedom. It probes interesting features in the deuteron including a D-wave contribution. In the charged-lepton DIS, twist-two structure functions $b_1$ and $b_2$ are expressed by tensor-polarized parton distribution functions (PDFs). We note that the HERMES experimental measurement of $b_1$ seems to be much different from a conventional theoretical prediction. This puzzling situation should be significantly improved in the near future by an approved experiment to measure $b_1$ at JLab. On the other hand, the tensor-polarized PDFs, especially antiquark distributions, could be measured by spin asymmetries in the Drell-Yan process with a tensor-polarized deuteron at Fermilab. In this work, we estimate tensor-polarization asymmetries for the Fermilab Drell-Yan experiment by using a parametrization for the tensor-polarized PDFs to explain the HERMES $b_1$ data. Obtained spin asymmetries are typically a few percent order and they could be measured by the Fermilab-E1039 experiment. Since the tensor-polarized antiquark distributions will play an important role to solve the puzzle, further theoretical and experimental efforts are needed toward the Drell-Yan experiment at Fermilab and other hadron facilities.

研究动机与目标

• 为费米实验室-E1039 实验提供质子-氘核 Drell-Yan 过程中张量极化自旋不对称性的理论估算。
• 解决长期以来关于 HERMES 实验测量的氘核张量结构函数 $b_1$ 的谜题，其值显著大于理论预测。
• 研究张量极化反夸克分布在此 $b_1$ 差异中的作用。
• 证明通过张量极化氘核靶的 Drell-Yan 过程测量张量极化 PDF（尤其是反夸克分布）的可行性。

提出的方法

• 该研究采用一种能重现 HERMES 实验中 $b_1$ 数据的张量极化 PDF 参数化，包括有限的张量极化反夸克分布。
• 利用这些 PDF 在部分子模型中计算 Drell-Yan 截面，自旋不对称性定义为 $A_Q(x_1,x_2) = \frac{\sigma^\uparrow - \sigma^\downarrow}{\sigma^\uparrow + \sigma^\downarrow}$。
• 使用 DGLAP 方程对 PDF 的 $Q^2$ 演化进行计算，初始尺度为 $Q_0^2 = 2.5$ GeV$^2$。
• 采用两组 PDF 参数化：第 1 组假设初始张量极化反夸克分布为零，第 2 组则包含有限值以拟合 HERMES 数据。
• 在典型夸克分数 $x_1 = 0.2, 0.4, 0.6$ 和能量尺度 $Q^2 = 30$ GeV$^2$ 下评估自旋不对称性，该参数组合代表费米实验室实验条件。
• 使用 Hessian 方法估算误差带，以评估不对称性预测的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 费米实验室能否通过张量极化氘核靶的 Drell-Yan 过程探测张量极化部分子分布？
• RQ2 对于张量极化 PDF 的实际参数化，质子-氘核 Drell-Yan 过程中预期的自旋不对称性量级是多少？
• RQ3 Drell-Yan 不对称性对张量极化反夸克分布的敏感性如何，特别是在小-$x_2$ 区域？
• RQ4 $Q^2$ 演化效应在初始值为零的情况下，能在多大程度上生成有限的张量极化胶子分布？
• RQ5 费米实验室-E1039 实验能否区分包含和不包含有限张量极化反夸克分布的理论模型？

主要发现

• 计算得到的自旋不对称性 $A_Q(x_1,x_2)$ 量级为百分之几，因此在费米实验室-E1039 实验中可被测量。
• 这些不对称性在小-$x_2$ 区域对张量极化反夸克分布最为敏感，此时第 1 组与第 2 组预测的差异最大。
• 即使初始张量极化反夸克分布为零，由于 DGLAP 演化，$Q^2$ 演化仍会生成有限的张量极化胶子分布。
• 包含有限张量极化反夸克分布以拟合 HERMES $b_1$ 数据的第 2 组参数化，能提供更可靠的不对称性估计。
• 即使考虑误差带，不对称性仍显著偏离零，表明存在清晰的实验探测信号。
• 结果验证了使用张量极化氘核的 Drell-Yan 过程是探测氘核张量结构的有力工具，尤其在揭示张量极化反夸克分布的作用方面。