[论文解读] Transverse spin azimuthal asymmetries in SIDIS at COMPASS: Multidimensional analysis

B. Parsamyan|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

该论文首次基于2010年COMPASS实验数据，对半包容深度非弹性散射（SIDIS）中的横动量依赖自旋-螺旋角分布不对称性进行了多维提取，分析了其在 $x$、$Q^2$、$z$ 和 $p_T$ 上的依赖关系。主要结果包括：Sivers、Collins、$A_{LT}^{\text{cos}(\theta)}$ 和 $A_{UT}^{\text{sin}(\theta_S)}$ 不对称性均呈现非零信号，且在Sivers和Collins效应中观测到 $Q^2$-依赖性，为TMD演化研究提供了关键输入。

ABSTRACT

COMPASS is a high-energy physics experiment operating at the SPS at CERN. Wide physics program of the experiment comprises study of hadron structure and spectroscopy with high energy muon and hadrons beams. As for the muon-program, one of the important objectives of the COMPASS experiment is the exploration of the transverse spin structure of the nucleon via spin (in)dependent azimuthal asymmetries in single-hadron production in deep inelastic scattering of polarized leptons off transversely polarized target. For this purpose a series of measurements were made in COMPASS, using 160 GeV/c longitudinally polarized muon beam and transversely polarized $^{6}LiD$ (in 2002, 2003 and 2004) and $NH_{3}$ (in 2007 and 2010) targets. The experimental results obtained by COMPASS for unpolarized target azimuthal asymmetries, Sivers and Collins effects and other azimuthal observables play an important role in the general understanding of the three-dimensional nature of the nucleon. Giving access to the entire "twsit-2" set of transverse momentum dependent parton distribution functions and fragmentation functions COMPASS data triggers constant theoretical interest and is being widely used in phenomenological analyses and global data fits. In this review main focus is given to the very recent results obtained by the COMPASS collaboration from first ever multi-dimensional extraction of transverse spin asymmetries.

研究动机与目标

• 利用COMPASS实验数据，首次实现SIDIS中横动量依赖自旋-螺旋角分布不对称性（TSAs）的多维提取。
• 探究TSAs在完整 $x$-$Q^2$-$z$-$p_T$ 相空间中的依赖关系，以深化对核子结构的理解。
• 提取TSAs的 $Q^2$-依赖性，作为测试TMD演化方程的输入。
• 测量高阶次与主导阶次横动量自旋不对称性，包括Sivers、Collins及 $A_{LT}^{\text{cos}(\theta)}$ 效应。
• 利用高统计量的COMPASS数据，检验高阶次不对称性的理论预测。

提出的方法

• 采用160 GeV/c的μ子束流与横向极化的 $^6$LiD及 $NH_3$ 靶，对SIDIS数据进行多变量分析。
• 在多个运动学构型下系统提取八种TSAs：包括三维（$x$-$Q^2$-$z$、$x$-$z$-$p_T$ 等）与四维网格。
• 使用模型无关的截面公式（式1）将不对称性分解为具有 $\text{cos}(\theta)$、$\text{sin}(\theta)$ 与 $\text{sin}(3\theta - \theta_S)$ 依赖关系的调制项。
• 应用Wandzura-Wilczek近似，将高阶次TMDs简化至主导阶次水平，以利于现象学解释。
• 在7×6个 $z$-$p_T$ 与多个 $x$-箱中统计提取不对称性，以解析多变量依赖关系。
• 将 $A_{LT}^{\text{cos}(\theta)}$ 的结果与Kotzinian等人（2006年）的理论预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多维运动学空间中，Sivers与Collins不对称性的 $Q^2$-依赖性如何？
• RQ2 横动量自旋不对称性在不同 $x$、$z$ 与 $p_T$ 箱中如何变化？
• RQ3 $A_{UT}^{\text{sin}(\theta_S)}$ 不对称性是否非零？其 $z$-依赖性揭示了关于高阶次TMDs的何种信息？
• RQ4 $A_{LT}^{\text{cos}(\theta)}$ 双自旋不对称性是否呈现非零信号？其与理论预期的符合程度如何？
• RQ5 其余四种TSAs是否与零一致？其结果是否与当前高阶次预测相符？

主要发现

• Sivers不对称性在正向强子中呈现显著信号，且随 $p_T$ 增大而增强，并在大 $z$ 区域显示出 $Q^2$-依赖性的迹象。
• Collins不对称性在正负强子间表现出清晰的镜像行为，其大小随 $z$ 与 $p_T$ 增大而增强。
• $A_{UT}^{\text{sin}(\theta_S)}$ 不对称性非零且在大 $z$ 区域显著，表明存在可观测的高阶次效应。
• $A_{LT}^{\text{cos}(\theta)}$ 双自旋不对称性是唯一观测到非零信号的DSA，其数据与Kotzinian等人（2006年）的理论预测一致。
• 其余四种不对称性（$A_{UT}^{\text{sin}(2\theta_h - \theta_S)}$、$A_{UT}^{\text{sin}(3\theta_h - \theta_S)}$、$A_{LT}^{\text{cos}(\theta_S)}$、$A_{LT}^{\text{cos}(2\theta_h - \theta_S)}$）在统计误差范围内与零一致。
• 多维分析揭示了Sivers与Collins效应在 $x$ 与 $Q^2$ 上的非平凡依赖性，为TMD演化研究提供了直接输入。