＠KEK研究会『核子構造研究の新展開2009』 2009年1月10日 谷田 聖 (京都大学) RHIC-spinの最新結果 ＠KEK研究会『核子構造研究の新展開2009』 2009年1月10日 谷田 聖 (京都大学)

＠KEK研究会『核子の構造関数2007』 2007年1月12日 谷田 聖 (京都大学) 2年前・・・ RHIC spin から見る核子構造 ＠KEK研究会『核子の構造関数2007』 2007年1月12日 谷田 聖 (京都大学)

何が変わった？ Recorded Luminosity@PHENIX – longitudinal run Year Ös [GeV] Pol [%] FOM (P4L) 2003 (Run 3) 200 .35 pb-1 27 1.5 nb-1 2004 (Run 4) .12 pb-1 40 3.3 nb-1 2005 (Run 5) 3.4 pb-1 46 0.15 pb-1 2006 (Run 6) 7.5 pb-1 62 1.1 pb-1 62.4 .08 pb-1 ** 48 4.2 nb-1 ** ** initial estimate Year Ös [GeV] Recorded L Pol [%] FOM (P4L) 2003 (Run 3) 200 .35 pb-1 27 1.5 nb-1 2004 (Run 4) .12 pb-1 40 3.3 nb-1 2005 (Run 5) 3.4 pb-1 49 0.2 pb-1 2006 (Run 6) 7.5 pb-1 57 0.79 pb-1 62.4 .08 pb-1 48 4.2 nb-1

あれっ？ 2007年はAu-Auのみ。偏極陽子のRunはなし。 2008年は５（実質４）週間のみ Recorded Luminosity@PHENIX – transverse run Year Ös [GeV] L [pb-1] Pol [%] FOM (P2L) 2001 200 .15 pb-1 15 0.0034 2005 .16 pb-1 47 0.038 2006 2.7 pb-1 51* 0.7 62.4 .02 pb-1 48 0.0046 2008 5.2 pb-1 46 1.1 * 水平方向偏極

RHIC spin って？ 「陽子のスピンはどこから来るの？」という質問に答えるための実験の１つ。 陽子＝クォーク３つ？？ 背景：陽子中のクォークの偏極を測る実験 　→　レプトン Deep Inelastic Scattering

レプトンDISの結果 RHIC spin 実験 クォークのスピンは陽子のスピンの20－30％ぐらいしか担っていない → spin crisis では、残りは何？ グルーオン？ クォークが軌道角運動量を持っている？ RHIC spin 実験

DISでは（なかなか）わからないこと Photonを媒介 → 直接見ているのは電荷だけ u : d : s : g = 4 : 1 : 1 : 0 特にグルーオンは見えない ( Q2 evolution, photon-gluon fusion) gluonを直接見る→ハドロン同士の衝突が必要 　　　　　　陽子・陽子コライダーへ

グルーオン偏極測定の原理 偏極陽子衝突で ALL を測る。 = (parton pol.)2× (aLL in parton reaction)

グルーオン偏極測定の原理 Parton level の代表的な3プロセス（LO） 実際にはパートンfragmented hadronを観測 channel ごとに違う割合で混ざる パートンの情報（Bjorken x など）はobscureされる

測定チャンネルの例  golden channel Direct photon: g + q  g + q フラグメンテーションの影響を受けない。 他のプロセス (e.g.`qq  gg)の混入が少ない 　　  golden channel Jet, high-pT ハドロン生成 3つのプロセスが全て混ざる 全てLOなので、統計が一番多い。 　　　 比較的少ない Luminosity で情報が得られる。 重いクォーク（チャーム、ボトム） RHICでは gg→`qq がメイン W： quark の flavor分解 例えば　W+ なら`du

The Relativistic Heavy Ion Collider accelerator complex at Brookhaven National Laboratory PHENIX STAR Brhams pp2pp

RHIC p+p accelerator complex The polarimeters are experimental devices RHIC pC “CNI” polarimeters absolute pH polarimeter BRAHMS & PP2PP PHOBOS RHIC Siberian Snakes PHENIX STAR Siberian Snakes Spin Rotators 5% Snake LINAC BOOSTER AGS pC “CNI” polarimeter Pol. Proton Source AGS Coulomb-Nuclear Interference 200 MeV polarimeter Rf Dipoles 20% Snake

Delivered luminosity at s = 200 GeV RHIC performanceの変遷 2006, P=60% Delivered luminosity at s = 200 GeV 2008, P=45% 2005, P=46% 2003, P=34%

PHENIX実験 Pioneering High Energy Nuclear Interaction EXperiment

The PHENIX Detector Philosophy Central Arms Muon Arms 小さなsystematics 高分解能・高レート。ただしAcceptanceは小さい。 高いPID能力 Central Arms |h| < 0.35, Df ~ p g, p0, e, p+-, ... – Identified 運動量、エネルギー測定 Muon Arms 1.2 < |h| < 2.4 運動量測定 小さなsystematics relative luminosity ~ 10-4

Solenoid Tracker At RHIC The Collaboration STAR Solenoid Tracker At RHIC

STAR Detector Central Tracking 0.5 T Solenoid Triggering & Luminosity 2005 run Triggering & Luminosity Monitor Central Tracking

ALL 測定 Run6: arXiv:0810.0694 PHENIX p0 central arm (y~0)

Jet ALL(y~0) STAR

さて、DGは？ 欲しいもの：Dg(x) データ点はいろいろなxのクォーク、グルーオンが重なったもの  Deconvolution が必要。 （今のところ）実用的な解析は、 Dg(x)の関数系を仮定 例： Dg(x)=Cg(x)xa(1-x)b 実験データ（DISを含む）をフィットして、最適なパラメータを探す 例1： GRSV（M. Gluck et al., PRD 63 (2001) 094005.） DGを仮定して、それ以外のパラメータはDISを使って決める DGによっていくつかのバージョン（GRSV-std, max, min, ...） 例２： AAC（平井氏のトーク）

GRSVの範囲内では *Theoretical uncertainties not included

違う仮定では？ 0.02 < x < 0.3の範囲での DGには強い制限

最近のGlobal Analysisの例 de Florian et al., PRL101 (2008) 072001 If you consider the thousands of points going into standard global fits of unpolarized pdf’s, we’ve still got a long way to go!

Neutral pion at STAR -0.95 < h < 0.95 1.0 < h < 2.0 STAR

h

Charged pion STAR

unidentified h+- at 62.4 GeV 14% polarization uncertainty not included

direct photons

J/y J/y

AN測定 AN： transverse偏極に対しての左右非対称性 1回の測定で、前方・後方の両方を測れる Left Right p  p π0, xF<0 π0, xF>0 Left Right p  p

これまでは・・・ ナイーブなpQCDでは AN ~ mq/sqrt(s) ~ 0 でも、大きなANが観測 されている → なぜ？ STAR arXiv:0801.2990(Accepted by PRL) でも、大きなANが観測 されている → なぜ？ STAR いくつかのメカニズムが提案 　- Sivers メカニズム 　- Collins メカニズム 　- Twist 3 メカニズム 　- ...

ANが出てくるメカニズム（例） Sivers メカニズム: 核子スピンとパートンのkT間の相関 Collins メカニズム: Transversity (quark 偏極) × jet fragmentation の非対称性 SP kT,q p SP p Sq kT,π Sq Phys Rev D41 (1990) 83; 43 (1991) 261 Nucl Phys B396 (1993) 161 グルーオンによる効果：有 グルーオンによる効果：無

AN at √s = 62.4 GeV p0 p0 < p+ ~ -p- 傾向は他のエネルギーと同じ PRL101, 042001 (2008) p0 p0 < p+ ~ -p- 傾向は他のエネルギーと同じ

AN at √s = 200 GeV BRAHMS Preliminary

p0 AN との比較 やはりpTの単調減少 関数ではない！ charged pと同じく、 単純な傾向を示さない STAR

AN － Di-jet Di-jet 測定 → kTの左右非対称性 fragmentationがないので、Collins effectは効かない → Sivers effectに敏感 (Boer & Vogelsang PRD 69 (2004) 094025 ) STARによる測定 STAR EMC  coverage Blue(+z) Yellow(-z) proton Proton -1 +2 前後非対称な アクセプタンス

AN － Di-jet -1 < h < 2 (blue) 5<pT<10 GeV/c Null Tests STAR Parity-violating top-bottom asymmetry several x 10-3の精度で0とconsistent

Emphasizes (80%+) gluon Sivers AN － Di-jet（2年前のスライド） Emphasizes (50%+ ) quark Sivers Emphasizes (80%+) gluon Sivers STAR HERMESのデータをもとにした quark Sivers effect の予想と 大きく合わない！→ 謎。Sivers メカニズムによる説明に疑問

New Calculation Bomhof, Mulders, Vogelsang, Yuan: PRD75, 074019 (2007) Prediction for dijet AN if Sivers contributions were same as for SIDIS (FSI) Initial- and final-state cancellations in p+p  jet+jet found to reduce expected dijet asymmetry at RHIC. Prediction for dijet AN if Sivers contributions were same as for Drell-Yan (ISI)

IFF and Collins FF _ _  FF measurements are ongoing at KEK-BELLE Interference fragmentation function J. Collins, S.Heppelmann, G. Ladinsky, Nuclear Physics B, 420 (1994) 565 h1  h2 quark _ Quark spin Collins fragmentation function J. C. Collins, Nucl. Phys. B396, (1993) 161  h quark _ (courtesy A. Bacchetta) FF measurements are ongoing at KEK-BELLE

Asymmetry result Still need more data...

予定 2009年は2月からRun9がスタート 500GeVのRun ppのデータを取得 最初は500GeV、その後200GeVにシフト 6月までの実験を予定。4月までの予算は確保済み。 500GeV、200GeVともに20pb-1程度のデータを取得予定。 500GeVのRun W – sea quarkの偏極度をflavorごとに測定 y~0では200イベント程度実際に観測可能 前方、後方については新しいtrigger回路のcomissioning ハドロン、photonの測定では、より小さなｘ領域に感度 2010年には本格的なRunを予定

海クォーク偏極度の測定に向けて 偏極陽子陽子衝突におけるW粒子の Single Spin Asymmetry (AL)は反クォークの偏極度に敏感 反応に参加する粒子のフレーバーとヘリシティが固定 パリティを破るのでALは0ではない RHIC PHENIX実験において W粒子崩壊から生じる高運動量のμ粒子を検出する x1 – x2 の大きいところでは最初の項のみ が主に効く。

現在のPHENIXのトリガーでは2GeV/c以上のμを捕まえている 新しいトリガーの必要性 現在のトリガーのままでは、√s=500GeVでの設計輝度においてトリガー頻度が~50kHzになってしまう →Muon Arm用DAQバンド幅の限界（2kHｚ）を大幅に超えている →このままでは、低運動量μのデータでいっぱいになってしまう・・ 現在のPHENIXのトリガーでは2GeV/c以上のμを捕まえている PHENIX検出器 μ粒子 ミューオンの運動量分布 （√s=200GeV） ビーム W粒子は運動量40GeV/c以上のμ粒子によって同定するため、 高運動量のμ粒子を選択的に検出できるようなトリガーが必要!! ビーム

トリガー原理 PHENIX Muon Tracker（MuTr）を用いたトリガーが提案された →粗い軌跡情報を得て、高運動量μ粒子を選び出す 棄却能力 (required = ６０００) →約24000が達成できるはず！（シミュレーションより） MuTr PHENIX検出器

MuTRG-ADTX board Overview ~95% Split! MuTR. Current FEE DATA DCM (Data Collecting Module) ~95% Split! Trigger GL1 DATA ~5% Trigger MuTRG-ADTX MuTRG-MRG Optical Link 1.2Gbps Optical Link 2.6Gbps μ-Trigger LL1 MuTRG-TX Deserialized data Counting House Muon Arm 46

新しいトリガー生成回路の性能評価 F.H.R ~1kHz F.H.R ~10kHz F.H.R ~100kHz Efficiency against the peak strip ～Threshold dependence (St.2)～

まとめ DGに関しては、STAR・PHENIXのデータ双方から、consistentな結果が得られた。 この範囲ではgluon偏極は小さい。むしろ負の偏極をfavor より小さな（大きな）ｘ領域を探索すべく、努力している Transverse 偏極を使った測定 前方でのみ有限の AN が観測され、後方・Midrapidityでは AN～０ → valence quark が原因？ エネルギーを変えても、この傾向は変わらない。 pのANは、pTの単調減少関数ではなく、複雑な形をしている まだメカニズムについて決着はついておらず、様々な測定が続けられている。