[论文解读] The COMPASS spin physics program

S. Panebianco|arXiv (Cornell University)|May 3, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文介绍了CERN COMPASS实验在核子自旋结构方面取得的关键成果，重点聚焦于小x区域的氘核结构函数$g_1$的精确测量、胶子极化率$\Delta G/G$，以及与横向极化相关的初步不对称性（Collins与Sivers效应）。利用160 GeV极化μ子束和极化$^6$LiD靶，COMPASS实现了约2.2 fb$^{-1}$的积分亮度，获得$\Delta G/G = 0.06 \pm 0.31_{\text{stat}} \pm 0.06_{\text{syst}}$，对应$x_g = 0.13 \pm 0.08$，显著改善了对胶子自旋对核子自旋贡献的约束。

ABSTRACT

One of the main aims of the COMPASS experiment at CERN is the study of the spin structure of the nucleon and in particular the determination of the gluon polarization in the nucleon. We present some new results of 2002-2003 data analysis. They concern a precise measurement of the deuteron structure function g1 at small x, some preliminary result on Collins and Sivers asymmetries which are linked to transversity and a new measurement of DeltaG/G.

研究动机与目标

• 通过COMPASS实验中的极化深度非弹性散射（DIS）测量，确定核子中胶子极化率$\Delta G/G$。
• 通过提高小Bjorken-$x$区域氘核结构函数$g_1$的测量精度，以约束夸克自旋之和$\Delta\Sigma$。
• 通过Collins与Sivers不对称性测量横向自旋效应，以探测横向极化分布$\Delta_T q(x)$和Sivers函数$\Delta_0^T q$。
• 通过采用高横动量强子对和开放底夸克末态作为光子-胶子融合过程的清洁探针，降低$\Delta G/G$测量中的系统误差。

提出的方法

• 通过测量μ子-氘核散射中的 inclusive 双自旋不对称性$A_{LL}^{\mu d}$，利用光子-胶子融合（PGF）过程提取$\Delta G/G$。
• 采用高横动量强子对（$p_T > 0.7$ GeV，$p_{T1}^2 + p_{T2}^2 > 2.5$ GeV$^2$）以抑制一阶微扰QCD过程（LODIS）和QCD康普顿过程（QCDC）背景。
• 通过强子衰变（$D^0 \to K^-\pi^+$，$D^{*+} \to D^0\pi_s^+ \to K^-\pi^+\pi_s^+$）重建$D^0$和$D^{*+}$介子，以高纯度标记PGF事例。
• 对动量分数、衰变角和粒子识别施加运动学切割，以抑制底夸克重建中的组合背景。
• 利用蒙特卡罗模拟估算并减去LODIS和QCDC过程对观测不对称性的贡献。
• 分析半微分深度非弹性散射中强子的方位角单自旋不对称性，以从横向极化氘核靶数据中提取Collins与Sivers效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$x_g \approx 0.13$处，胶子极化率$\Delta G/G$的值是多少？其在COMPASS数据中的确定精度如何？
• RQ2 COMPASS在小x区域对$g_1^d(x)$的测量如何改善对夸克自旋之和$\Delta\Sigma$的约束？
• RQ3 半微分μ子-氘核散射中Collins与Sivers不对称性的大小在多大程度上表明横向极化分布和$k_T$-依赖部分子分布非零？
• RQ4 在$Q^2 < 1$ GeV$^2$区域，解析光子过程的贡献如何影响$\Delta G/G$测量？COMPASS如何在该区域进行修正？

主要发现

• 由于高亮度和高稀释因子，COMPASS在小x区域（$x < 0.03$）对氘核结构函数$A_1^d(x)$的测量实现了高精度，显著改善了对$g_1(x)$外推的约束。
• 通过高横动量强子对分析，测得胶子极化率为$\Delta G/G = 0.06 \pm 0.31_{\text{stat}} \pm 0.06_{\text{syst}}$，对应$x_g = 0.13 \pm 0.08$，系统误差主要来自背景估计。
• $D^*$标记分析的有效信号$S_{\text{eff}} = 704 \pm 69$，显著高于未标记的$D^0$（$S_{\text{eff}} = 391 \pm 26$），表明背景抑制更优，且$\Delta G/G$提取具有更高的统计效能。
• Collins与Sivers不对称性均较小，且在统计不确定性范围内与零一致，数据中未观察到$x$、$z$和$p_T^h$的显著方位角依赖性。
• COMPASS与HERMES在$\Delta G/G$结果上的差异归因于HERMES分析中忽略了解析光子过程的贡献，而COMPASS在$Q^2 < 1$ GeV$^2$区域的分析中已对此进行了修正。
• 对$Q^2 < 1$ GeV$^2$数据的分析仍在进行中，预计可将统计不确定性降低至少四倍，使最终$\Delta G/G$的精度提升至$\sim 0.24$。