[论文解读] The Transverse Structure of the Deuteron with Drell-Yan

D. Keller|arXiv (Cornell University)|May 2, 2022

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 4

一句话总结

该论文首次在费米实验室的SpinQuest实验中，通过使用极化氘核靶的Drell-Yan过程，实现了对中子和氘核横向极化TMD的实验测量。通过利用横向极化的手征性奇异性以及自旋-1靶的特殊性质，实验成功分离出胶子横向极化分布，从而为核子中非微扰胶子结构（包括与单个核子无关的奇异胶子贡献）提供了清晰探测。

ABSTRACT

We propose to measure neutron and deuteron transversity TMDs. The quark transversity distributions of the nucleon are decoupled from the deuteron gluon transversity in the $Q^2$ evolution due to the chiral-odd property in the transversely-polarized target. The gluon transversity TMD only exists for targets of spin greater or equal to 1 and does not mix with quark distributions at leading twist, thereby providing a particularly clean probe of gluonic degrees of freedom. This experiment would be the first of its kind and would probe the gluonic structure of the deuteron, investigating exotic glue contributions in the nucleus not associated with individual nucleons. This experiment can be performed with the SpinQuest polarized target recently assembled for experiment E1039 and the spectrometer already in place in NM4. This new experimental setup would require very minimal modification to the target system and no modification to the detector package. An additional RF-circuit and target coil are necessary to RF-modulate across the domain of the Larmor frequency to manipulate the solid-state target spin population densities. Dedicated beam-time with this novel target system is required to achieve our physics goals.

研究动机与目标

• 通过使用横向极化氘核靶的Drell-Yan过程，测量中子和氘核的横向极化TMD。
• 利用横向极化的手征性奇异性及自旋-1靶的特性，从夸克分布中分离出胶子横向极化TMD。
• 探测与单个核子无关的氘核中非核子型、奇异胶子贡献，从而深入了解非微扰QCD动力学。
• 利用新投入使用的SpinQuest极化靶和现有谱仪，仅作最小修改，实现高精度测量。
• 在两年日历时间内实现 $8 \times 10^{17}$ 个质子打靶，以达到对海夸克和胶子横向极化不对称性的统计灵敏度。

提出的方法

• 利用SpinQuest极化氘核靶（ND3）的矢量极化和张量极化状态，通过Drell-Yan轻子对产生过程探测横向极化TMD。
• 测量两种靶极化状态下的Drell-Yan产额：矢量极化态和张量极化态，其差值对胶子横向极化敏感。
• 在拉莫频率处施加射频调制，以控制和测量固态靶的自旋布居，实现精确的极化控制和基于NMR的标定。
• 利用现有的NM4谱仪和束流线基础设施，以高效率和动量分辨率探测Drell-Yan过程产生的二μ子对。
• 通过束流剖面和实际亮度测量，应用运动学稀释修正和亮度归一化，确保不对称性提取的准确性。
• 使用误差传播方法估算统计不确定性，考虑事件计数、极化度、稀释因子和亮度的影响，关键的不对称性不确定性公式为：$\delta A_{UT} \propto 1 / (f P_n \sqrt{N_{\text{tot}}})$ 和 $\delta A_{E_{xy}} \propto \sqrt{1/N_U} \cdot (P_{zz}/P) / (f P_{zz})$。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于横向极化的手征性奇异性以及在Leading twist下与夸克分布无混合，是否可在自旋-1靶中清晰分离出胶子横向极化TMD？
• RQ2 通过Drell-Yan不对称性测量，氘核中海夸克横向极化分布的大小和形状如何？
• RQ3 通过横向极化探测，非核子型、奇异胶子贡献在氘核胶子结构中有多大程度的体现？
• RQ4 是否可通过利用现有SpinQuest谱仪并结合新型射频调制极化靶的创新、最小化修改的实验装置，实现对横向极化测量所需的统计精度？
• RQ5 张量极化增强与半饱和射频技术如何提升信噪比并降低横向极化不对称性测量中的系统误差？

主要发现

• 该实验首次提出通过Drell-Yan过程直接测量中子和氘核的横向极化TMD，从而可探测海夸克和胶子横向极化分布。
• 由于在Leading twist下与夸克分布无混合，自旋-1靶中胶子横向极化TMD具有唯一可探测性，为胶子自由度提供了清晰探针。
• 海夸克横向极化不对称性的统计不确定性满足 $\delta A_{UT} \propto 1 / (f P_n \sqrt{N_{\text{tot}}})$，其中 $N_{\text{tot}} \propto 1 / \delta A_{UT}^2$ 为实现给定精度所需事件总数。
• 对于胶子横向极化不对称性，不确定性取决于张量极化 $P_{zz}$ 和矢量极化 $P$，其关系为 $\delta A_{E_{xy}} \propto \sqrt{1/N_U} \cdot (P_{zz}/P) / (f P_{zz})$，表明更高极化度可提升探测灵敏度。
• 为实现两种不对称性的统计精度，估算所需束流时间为两年内 $8 \times 10^{17}$ 个质子打靶。
• 该测量在对现有SpinQuest装置仅作最小修改的前提下可行，依赖于新型射频电路和靶线圈实现自旋控制，并充分利用已安装的谱仪和束流线。