RHIC PHENIX実験における 陽子スピン構造の探求

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1 RHIC PHENIX実験における 陽子スピン構造の探求
2011/02/23 Kyoto Univ. / RIKEN 唐津 謙一

2 RHIC Spin Program 「陽子スピンの起源」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

3 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/puzzle 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

4 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; PGF) 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

5 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)

6 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）は不明瞭

7 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

8 The Relativistic Heavy Ion Collider accelerator complex
at Brookhaven National Laboratory PHENIX STAR Brhams pp2pp BNL 偏極陽子陽子コライダー （重イオン衝突もある） sqrt(s) = 62, 200, 500 GeV # of bunches: 120 crossing interval: 106 ns L = 2x1032 cm-2s-1 (design value)

9 PHENIX実験 Pioneering High Energy Nuclear Interaction EXperiment

10 The PHENIX Detector Philosophy Central Arms Muon Arms
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/2 * 2 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

11 ALL 測定 PHENIX p0 central arm (y~0)

12 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。
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（Q2発展も考慮） 例1： GRSV（M. Gluck et al., PRD 63 (2001) ） 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：DSSV(de Florian et al., PRL101 (2008) ) GRSV std: flavor symmetric light sea distributions (Δu-bar = Δd-bar = Δs-bar) GRSV val: flavor asymmetric light sea distributions (Δu-bar ≠ Δd-bar ≠ Δs-bar)

13 最近のGlobal Analysisの例 de Florian et al., PRL101 (2008) 072001
Unpol.: 約26000points Pol.: 約500points

14 PHENIX h ALL

15

16 Charged pion qg sub-process also dominates for mid-rapidity pion production at about pT>5 GeV/c, leading to an approximately linear dependence of the asymmetries on g(x). The preferred fragmentation of pi+ from u quark and pi- from d quark and the fact that u and d are known from the polarized-DIS measurements to have opposite signs, lead to an ordering of the pion asymmetries that depends on the sign of g(x). pi± ALL measurements at high pT will provide enhanced sensitivity to the sign of g, compared to pi0 alone.

17 グル―オン偏極まとめ ALLの全結果は0とコンシステント GRSV-std (DG~0.4)とDG=0はそろそろ区別できそう
今のところDG=0の方がfavored 核子スピンの謎は深まる方向。 DSSVは（インプットに使ったデータのみならず） 全てのデータと良く合っている。 Dg(x)=0も同じくらい良い。 500 GeVのデータがまだ出ていない。 →小さいxでの動向を見る上で重要 　　Dg(x)～0？　ノードがある？

18 Wの測定＠√s=500 GeV 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 x1 – x2 の大きいところでは 最初の項のみが主に効く (flavorを分ける) 今回は W→e 崩壊チャンネル ye~0 (x1 ~ x2)のデータのみ

19 Raw signal

20 Cross section World data, 理論計算 (NLO)との比較 理論計算とconsistent
pp collisionでは初のW->e 測定 これまでで最も低い√s での測定

21 + - Asymmetry consistent with predictions (＋: 5-14%, －: 19-36%)
Theory curves: Including W and Z with NLO accuracy + - consistent with predictions　(＋: 5-14%, －: 19-36%) 統計が少ないため、モデルを分けることはできないが、今後のW測定に向けて大きなstepである

22 今後の予定 まとめ 2011年はRun11をセットアップ中 500GeVのRun 他に200GeV, 62GeVでの横偏極のRunを予定。
500 GeV ppのデータを取得 10週間程度で、PHENIXで50pb-1を取得予定。 500GeVのRun W: sea quarkの偏極度をflavorごとに測定 ハドロン、photonの測定では、より小さなｘ領域に感度 他に200GeV, 62GeVでの横偏極のRunを予定。 まとめ グルーオンの偏極度（DG） 0.02 < x < 0.3 この範囲ではgluon偏極は小さい。0コンシステント。 √sが上がれば、小さなxに行けるが、500 GeVの結果はまだ。 フレーバーを分けた偏極度の測定はまだまだこれから

23 Back up

24 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

25 陽子のスピンの起源 陽子のスピンはクォークのスピンで説明できると期待 従来の実験では光子交換を用いていたため、海クォークを区別できなかった
電子・ミューオンと陽子の散乱から20-30％程度しか説明できない： SU(3)仮定を含んだ分割 アップ　約80％ ダウン　約-50％ 海クォーク　約-10％ 海クォークが反対に偏極して寄与を下げているように見える 従来の実験では光子交換を用いていたため、海クォークを区別できなかった Deep Inelastic Scattering k k’ q p p’ P xP= Elastic

26 Parton polarization function ~海クォーク偏極度の測定へ向けて~
フレーバーを分けた測定が必要 Semi-Inclusive DIS（SIDIS: 終状態のハドロンから推測） →fragmentation function からくる不確定性が大きい 弱い相互作用を使う Neutrino 散乱 … W 生成 DSSV Global Fit (2008) (DIS+SIDIS+pp) DNS Global Fit (2005)

27 Future Prospects Without RHIC data:
uncertaintyはＳＩＤＩＳの解析に使われるfragmentation functionによって決まっている With 800pb-1 of RHIC data (P=60%): Central region と forward region両方でWを測定したとき 0.05<x<0.4の範囲でΔu-bar, Δd-barを精度よく決定することができる Includes both STAR and PHENIX data