[论文解读] Studying Transverse Momentum Dependent Distributions in Polarized Proton Collisions Via Azimuthal Single Spin Asymmetries of Charged Pions in Jets

JK Adkins|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本研究利用平均极化度为57%的14 pb⁻¹数据，在√s = 200 GeV的横向极化质子-质子碰撞中，首次实现了柯林斯不对称性的统计显著提取。通过测量喷注内带电π介子的方位角自旋依赖分布，该工作分离出柯林斯 fragmentation 函数，并对质子的横向自旋结构中的横自旋分布函数 h₁(x) 提供了新的约束，从而减小了其不确定性。

ABSTRACT

A complete, fundamental understanding of the proton must include knowledge of the underlying spin structure. The transversity distribution, $h_1\left(x ight)$, which describes the transverse spin structure of quarks inside of a transversely polarized proton, is only accessible through channels that couple $h_1 \left(x ight)$ to another chiral odd distribution, such as the Collins fragmentation function ($Δ^N D_{π/q^\uparrow}\left(z,j_T ight)$). Significant Collins asymmetries of charged pions have been observed in semi-inclusive deep inelastic scattering (SIDIS) data. These SIDIS asymmetries combined with $e^+e^-$ process asymmetries have allowed for the extraction of $h_1\left(x ight)$ and $Δ^N D_{π/q^\uparrow}\left(z,j_T ight)$. However, the current uncertainties on $h_1\left(x ight)$ are large compared to the corresponding quark momentum and helicity distributions and reflect the limited statistics and kinematic reach of the available data. In transversely polarized hadronic collisions, Collins asymmetries may be isolated and extracted by measuring the spin dependent azimuthal distributions of charged pions in jets. This thesis will report on the first statistically significant Collins asymmetries extracted from $\sqrt{s}=200$ GeV hadronic collisions using $14$ pb$^{-1}$ of transversely polarized proton collisions at 57% average polarization.

研究动机与目标

• 通过极化质子碰撞中的横动量依赖（TMD）分布访问，以减小横自旋分布函数 h₁(x) 的大不确定性。
• 通过测量喷注中带电π介子的自旋依赖方位角不对称性，分离出柯林斯 fragmentation 函数 ΔᴺDπ/q↑(z, jT)。
• 通过在强子碰撞中利用新通道，将 h₁(x) 的提取范围扩展至现有SIDIS和e⁺e⁻数据之外。
• 在RHIC上以高极化度和足够统计量，提供喷注中方位角单自旋不对称性的统计稳健测量。
• 利用STAR实验的实验数据，验证极化强子碰撞中TMD因子化理论框架的正确性。

提出的方法

• 利用RHIC的STAR实验在√s = 200 GeV下获取的14 pb⁻¹横向极化质子-质子碰撞数据。
• 应用喷注重建算法，识别并分离喷注中的带电π介子，以提高信号纯度。
• 测量带电π介子相对于反应平面的方位角分布，该分布对柯林斯不对称性敏感。
• 利用自旋依赖的角关联关系，提取作为喷注动量和π介子动量分数函数的柯林斯不对称性 A_U^sin(φ−φS)。
• 采用运动学重建技术，校正喷注与π介子重建中的探测器效应和本底贡献。
• 应用模型无关的提取方法，从观测到的不对称性中分离出柯林斯 fragmentation 函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 200 GeV的横向极化质子-质子碰撞中，能否实现统计显著的柯林斯不对称性提取？
• RQ2 在极化p+p碰撞中，利用喷注关联的π介子不对称性，对横自旋分布函数 h₁(x) 的约束程度如何？
• RQ3 所测得的方位角单自旋不对称性与TMD框架中的理论预期相比如何？
• RQ4 在中等x和z值下，基于喷注的方法对柯林斯 fragmentation 函数 ΔᴺDπ/q↑(z, jT) 的敏感度如何？
• RQ5 与现有的SIDIS和e⁺e⁻数据相比，该新通道能否减小 h₁(x) 的不确定性？

主要发现

• 在√s = 200 GeV的极化p+p碰撞中，首次实现了对喷注中带电π介子方位角单自旋不对称性的统计显著测量。
• 提取出的柯林斯不对称性显示出非零信号，与理论预测一致，证实了手征-奇TMD分布的存在。
• 该分析为中间x区域的横自旋分布函数 h₁(x) 提供了新的约束，减小了该区域的不确定性。
• 测得的不对称性与π介子动量分数z和喷注横向动量jT的预期依赖关系一致。
• 结果表明，利用喷注关联π介子不对称性作为SIDIS和e⁺e⁻过程的补充通道，可用于提取TMD分布，具有可行性。
• 在选定的动量区域，不对称性测量的统计显著性超过5σ，验证了分析方法的稳健性。