[论文解读] STAR results and perspectives on transverse spin asymmetries

N. Poljak|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究通过分析极化质子碰撞中 $\pi^0$ 介子与“喷注样”对象之间的关联，探究了在RHIC上前向 $\pi^0$ 产生中大型横向单自旋不对称性的起源。利用STAR的前向π介子探测器++（FPD++），作者通过测量 $\pi^0$ 与喷注样对象之间的方位角角 $\gamma$，分离出Sivers效应，发现无显著的Collins效应——表明观测到的不对称性主要由Sivers分布函数主导。

ABSTRACT

The STAR collaboration reported precision measurements on the transverse single spin asymmetries for the production of forward $π^0$ mesons from polarized proton collisions at $\sqrt{s}=$ 200 GeV. To disentangle contributions to measured forward asymmetries one has to look beyond inclusive $π^0$ production to the production of forward jets or direct photons. In 2006, STAR with the Forward Pion Detector++ (FPD++) in place, collected 6.8 pb$^{-1}$ of forward data with an average polarization of 60%. FPD++ had sufficient acceptance for "jet-like" objects, which are clustered responses of an electromagnetic calorimeter primarily sensitive to incident photons, electrons and positrons. For these objects, the angle of the outgoing leading $π^0$ with respect to the fragmenting parton was reconstructed, thus enabling us to disentangle the contributions to the forward $π^0$ asymmetries. The simulated data set shows that on average there are approximately 2.5 fragmenting mesons per one "jet-like" object, making them reasonably "jetty". Preliminary results provide no evidence of measured contributions to the asymmetry from jet fragmentation, implying the Sivers distribution functions play a substantial role in producing the large inclusive forward $π^0$ asymmetries. A similar effort was made in the mid-rapidity $(|η|<1)$ region of the STAR detector, where 2.2 pb$^{-1}$ of data was collected. We present progress made by making measurements of the azimuthal asymmetry of leading charged pions in jets produced by transversely polarized proton collisions.

研究动机与目标

• 分离Sivers效应与Collins效应在前向 $\pi^0$ 产生中大型横向单自旋不对称性中的贡献。
• 确定观测到的不对称性是否源于初始态横向动量分布（Sivers）或末态碎片化（Collins）效应。
• 利用电磁量能器响应重建的“喷注样”对象，研究 $\pi^0$ 产生相对于碎片化部分子的角依赖性。
• 增进对高能质子-质子碰撞中横向动量依赖（TMD）部分子分布的理解。
• 基于前向快度区（$\langle\eta\rangle \approx 3.3$）和中间快度区（$|\eta|<1$）的精确测量，对Sivers分布函数施加约束。

提出的方法

• 利用STAR的前向π介子探测器++（FPD++）收集了6.8 pb$^{-1}$的数据，质子平均极化度为60%，能量为 $\sqrt{s} = 200$ GeV。
• 将“喷注样”对象识别为电磁量能器中的聚类响应，主要对光子、电子和正电子敏感。
• 重建领先 $\pi^0$ 与“喷注样”对象的飞行轴之间的夹角 $\gamma$，以探测自旋依赖的方位角关联。
• 应用交叉比公式计算不对称性 $A_N(\gamma)$，通过探测器模块的几何平均最小化探测器效应。
• 使用PYTHIA 6.222和GEANT模拟事件运动学与探测器响应，数字转换与重建过程与实际数据处理匹配。
• 在中间快度区分析中，应用中点圆锥算法从TPC轨迹与EMC簇集重建喷注，要求 $p_T > 10$ GeV 且圆锥半径 $R = 0.7$。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的前向 $\pi^0$ 横向单自旋不对称性是否主要由Sivers效应驱动，而非Collins效应？
• RQ2 相对于“喷注样”对象的 $\pi^0$ 产生方位角依赖性是否表现出与Collins机制一致的特征？
• RQ3 模拟的“喷注样”对象在多重性和运动学方面与真实喷注的相似程度如何？
• RQ4 前向快度区与中间快度区的不对称性如何比较，这对TMD部分子分布函数有何启示？
• RQ5 不对称性的 $\gamma$-角依赖性能否有效区分初始态（Sivers）与末态（Collins）自旋-轨道关联？

主要发现

• 前向区域中不对称性的 $\gamma$-角依赖性无显著斜率，表明无可观测的Collins效应贡献。
• 对于 $x_F > 0$，测得的不对称性在1$\sigma$水平下为正且显著，但与 $\cos(\gamma)$ 无关，与Sivers效应为主导来源一致。
• 模拟的“喷注样”对象平均每个包含2.5个碎片化介子，证实其“喷注样”特性，适用于TMD分析。
• 自旋平均的 $\gamma$ 分布由探测器接受度决定，而非物理效应，表现为限制接受度后 $\chi^2$ 降低。
• 带电π介子在喷注内方位分布的中间快度区分析显示不确定性较大，但未来统计量提升与方法优化后有望改善。
• 理论估算表明，由于同位旋对称性，$\pi^0$ 的Collins碎片化函数可忽略，支持Collins效应为零结果。