[论文解读] STAR Results from Polarized Proton Collisions at RHIC

L. C. Bland|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 3

一句话总结

本论文报告了在√s = 200 GeV能量下，STAR实验对极化质子碰撞的初步结果，展示了前向中性π介子和带电强子产生过程中的大分析能力，证实了自旋依赖性不对称性在更高能实验中依然存在。该研究建立了一套高精度本地极化仪，利用BBC探测器，实现了对束流极化的实时监测，并验证了对撞点处的纵向极化。

ABSTRACT

This talk reports on progress from the first two years of polarized proton collisions at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) at Brookhaven National Laboratory (BNL). STAR is one of the two large experiments at RHIC. It features large acceptance spanning a broad range of rapidity. The long-term goals of the STAR spin program are to measure the gluon contribution to the proton's spin; determine the contribution of specific quark flavors to the spin of the proton through the study of spin observables for vector boson production, and to determine the transversity structure function. The study of polarized proton collisions at $\sqrt{s}$=200 and 500 GeV is expected to provide important insight into the spin structure of the proton, revealing the contributions to the spin sum rule either from gluons or from the orbital motion of the partons. Selected STAR results from the study of polarized proton collisions during the first two runs are presented.

研究动机与目标

• 通过极化质子碰撞中包括喷注和光子产生的过程，测量胶子对质子自旋的贡献。
• 通过W±和Z⁰玻色子产生的过程，确定夸克与反夸克对质子自旋的味依赖性贡献。
• 利用横向极化质子碰撞探测手征结构函数和轨道角动量的贡献。
• 验证自旋旋转磁铁的性能，并在RHIC上建立本地极化仪，实现实时束流极化监测。
• 将Leading-Order pQCD预测扩展至包括γ + 喷注等特殊末态，并检验下一阶修正。

提出的方法

• 利用RHIC上的STAR探测器，在2001–2002年和2003年两次运行中，收集了纵向和垂直极化质子束在√s = 200 GeV下的数据。
• 利用中央量能器（BBC）测量了在高伪快度区域（3.4 < η < 5.0）的单自旋不对称性（A_N），针对包括中性π介子和带电强子在内的产生过程。
• 将基于BBC的不对称性与CNI极化仪的数据相关联，以验证束流极化，并独立确定分析能力（A_N）。
• 应用Leading-Order pQCD结合部分子喷发模型，将理论预测与前向π介子产生截面的测量结果进行比较。
• 使用计数器读出系统实现实时监测束流极化，从而持续评估自旋旋转磁铁的性能。
• 分析时间相关的不对称性，确认当自旋旋转磁铁工作时，STAR对撞点处的纵向极化保持稳定。

实验结果

研究问题

• RQ1 在较低能量下观测到的前向π介子产生大分析能力是否在RHIC的更高碰撞能量√s = 200 GeV下依然存在？
• RQ2 BBC探测器能否作为高精度本地极化仪，用于监测极化质子束中横向极化分量？
• RQ3 在前向区域，包括带电强子产生的分析能力的大小及其伪快度依赖性如何？
• RQ4 Leading-Order pQCD计算结合部分子喷发模型，对大快速度中性π介子产生截面的测量结果描述得如何？
• RQ5 RHIC上的自旋旋转系统能否可靠地产生并维持STAR对撞点处的纵向极化？

主要发现

• 在大快速度区域（3.4 < η < 5.0）的包括中性π介子产生的分析能力与NLO pQCD计算以及Leading-Order pQCD结合部分子喷发模型的结果一致。
• 在伪快度范围3.4 < η < 5.0内，对包括带电强子产生的分析能力测得非零值，约为0.006，其品质因子足以支持本地极化监测。
• 基于BBC的不对称性测量显示出强烈的伪快度依赖性，仅当内环（3.9 < η < 5.0）记录到事例时才表现出非零分析能力，表明对前向粒子通量具有敏感性。
• 时间依赖的不对称性测量结果证实，当自旋旋转磁铁开启时，BBC不对称性下降，表明自旋旋转磁铁成功在STAR对撞点处产生了纵向极化。
• 该本地极化仪在亮度为5×10³⁰ cm⁻²s⁻¹、束流极化度为25%的条件下，30分钟内即可达到3个标准差的统计精度，实现极化方向10°的分辨率。
• BBC探测器测得的分析能力约为CNI极化仪测量值（A_N^CNI = 0.013 ± 0.004）的一半，证实了两种独立极化监测系统之间的一致性。