HERMESの偏極深非弾性散乱による クォークフレーバーごとの 偏極分布関数の測定

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1 HERMESの偏極深非弾性散乱による クォークフレーバーごとの 偏極分布関数の測定
2. Inclusive/Semi-inclusive 1. HERMES experiment 3. Quark polarization spin asymmetry 4. Summary HERMESの偏極深非弾性散乱による クォークフレーバーごとの 偏極分布関数の測定 田中秀和、大須賀弘、宮地義之、柴田利明、 他　HERMES collaboration 柴田研究室 東工大理 第５８回　日本物理学会 2002年　9月14日 立教大学 Contents

2 HERMES Experiment Hermes Spectrometer at DESY-HERA
Longitudinally polarized e+(e-) beam 27.6 GeV, polarization <PB> ～ 60 % Internal Target longitudinally polarized H (1996,1997), D (1998～2000) target Particle Identification : hadron identification - Threshold Cherencov Counter 1995～1997　 　　　　π identification ( 4.9　～　13.5　GeV/c ) - Ring Imaging Cherenkov Counter (RICH) 1998～ π, Ｋ, p separation ( 2 ～ 15 GeV/c ) Cherenkov

3 Ring Imaging Cherencov Counter
1998 ~ 2000 data Cherencov angle(Θｃ) vs　Momentum (GeV/c) PMT Plane Mirror particle track C4F10 Gas Aerogel Tiles Θｃ (rad) Aerogel Tiles C4F10 Gas Radiator C4F10 Gas n=1.0014 Aerogel Tiles n=1.0303 PMT 3/4 inch PMTs Momentum region 2 ~ 15 GeV/c P (GeV/c)

4 Ring Imaging Cherencov Counter
1934 PMTs 3.1 GeV pion 4.5 GeV electron Ring from gas aerogel

5 Hadron Coincidence Measurement
Inclusive (Only scattered lepton is measured) Semi-inclusive (Hadron coincidence messurement with the scattered hadron) lepton nucleon γ hadron hadronization fragmentation Beam spin : Target spin :

6 - + N Spin Asymmetries = ) Q (x, A = 2 1 qf+(x)
virtual photon Beam spin Target spin qf+(x) Polarized Quark Distribution Δqf (x) ≡ qf+(x) - qf-(x) Inclusive/Hadron Spin Asymmetry A1 N + - = e/h 2 1 ) Q (x, A = e/h Ne/h : Total number of inclusive leptons/semi-inclusive hadrons

7 DATA Samples H D → → Typical Kinamatics and Cuts z = Eh/ν＞ 0.2
※All numbers after data quality and kinematic cuts Typical Kinamatics and Cuts W2 > 10 GeV2 1.0 < Q2 < 15 GeV2 z = Eh/ν＞ 0.2 xF ＞ 0.1

8 Threshold Cherencov Counter
π+/-　identification in 4.9 ~ 13.5 GeV/c by 1996~1997 data h+/- Measured Asymmetries on Proton Target Inclusive π+/-

9 Measured Asymmetries on Deuterium Target
h+/- K+/- Measured Asymmetries on Deuterium Target π+/- Inclusive

10 Ring Imaging Cherencov Counter
1998 ~ 2000 data Cherencov angle(Θｃ) vs　Momentum (GeV/c) PMT Plane Mirror particle track C4F10 Gas Aerogel Tiles Θｃ (rad) Aerogel Tiles C4F10 Gas Radiator C4F10 Gas n=1.0014 Aerogel Tiles n=1.0303 PMT 3/4 inch PMTs Momentum region 2 ~ 15 GeV/c P (GeV/c)

11 Extraction of Quark Polarization Extracted Quark Polarizations
using Purity Measured Spin Asymmetry for hadron h in Quark Parton Model ( QPM ) Fragmentation function Purity Matrix Method Extract the quark polarizations Δq/q(x) Measured Asymmetries (Input) Purity Matrix Extracted Quark Polarizations Pq ： Correlation between hadron “h” and quark “q”. h Δq/q : polarization Δq : pol. Distribution (Output)

12 Calculated Monte Carlo tuned
_ Detector Geometry _ ｜K＋＞＝｜u s＞ ｜Kー＞＝｜u s＞ Pf (x) h Purity Purity Matrix Calculated Monte Carlo tuned for HERMES experiment Fragmentation Functions Monte Carlo (LEPTO, JETSET) Purities Kaon K- Unpolarized PDF ( CTEQ5LO )

13 Extraction of Quark Polarization
For quark polarization Old assumption , New assumption

14 Extracted Quark Polarization
Δu/u Δd/d _ Δｓ/ｓ Positive everywhere in the measured region. Negative. sea-quark almost zero.

15 Extracted Quark Polarized
xbj weighted Density Positive contribution to nucleon spin in the measured region. Negative contribution. Sea quark contribution almost zero. : GRSV/(1+R) parameterization Ref. [1] : Bluemlein-Boettcher parameterization Ref. [2] (Q2=2.5GeV2) [1] PHYS. REV. D 53 (1996) 4775, ’ STANDARD ’ SCENARIO, LEADING ORDER [2] hep-ph/ , LEADING ORDER - Scenario 1

16 Summary and Outlook _ _ _ →
1. Polarized quark distributions on H, D target. 2. RICH detector installation allows to extract Kaon asymmetry. 3. Individual polarized quark distributions 5 parameter decomposition for the first time (Δu, Δd, Δu, Δd, Δs ; except Δs = Δs) 4. Extraction of the strange sea quark polarization and densities for the first time. ⇒　Zero or slightly positive for Δｓ/ｓ, Δｓ. New data of proton target will be added soon, and reduced statistical uncertainties. 　 _ _ _

17 Expected statistical precision on xΔq for proton target

18 Purities for Charged Hadrons

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20 想定問答集 Q. Quark type の数に対して input Asymmetry が多いが, どのように decomposition しているのか？ A. 　　 ｜A＞= [P]｜Q＞ 　という行列方程式に対して Χ^2 = ｜ ｜A＞ー[P]｜Q＞ ｜＾２ という方程式の　Χ^2　を最小にするように fit　することで quark polarization を抽出している。 Q. Puriry　Matrix は何をいみするものなのか？ A. Hadronｈ　を観測したときにその　Hadron がどの quark が struck されたことにより生成されたかの確率を意味する。たとえば、K-　に対して、P_{s} を見た場合には s-quark からの寄与が約１０％程度あるということを意味する。 Q. d-quark polarization　について、systematic error が u-quark のそれより大きいにはなぜか？ A. systematic error の大きな要因は Target Polarization の error からのものが。　d-quark は D-target の asymmetry に sensitive なのでその error が寄与している。 Q. ｄ-quark polarization の　systematic error が 4th bin で非常に大きいがなぜか？ A. いくつかの原因が重なっているが dominant なのは PDF の parameterization の違いからくるもの。 Q.　２０００年のデータはなぜそんなに DIS event の数が増えているのか？ A. Luminosity が飛躍的に増えたため（Target density の向上） Q. s-quark polarization の　systematic error が 2th bin で非常に大きいがなぜか？ A. sea quark のなかでも s-quark のparameterization の差は 2th bin でもっとも大きい。 Q. s-quark （sea quark）の polarization で、今後その statistical, systematic error が小さくなり精度良く polarization を決定することができるのか？ A. Sea quark の systematic error　の大きな原因は Purity matrix を MC によって求めていることによるもの。現在、HERMES実験で測定された Kaon Fragm.Function　を用いて decomposition することを試みている。このことにより syst. Error はかなり改善されることが期待できる。さらに、HERMESでは将来計画として longitudinal pol (p-target)の run が予定されている。 Q. Quark density の systemaic error が polarization のものより 小さくなっているのはなぜか？ A. sea quark の場合、PDF parameterization の違いからくる error が大きいため。 Q. Quark density　についていくつかの理論予測があるがその結果とは一致しているものがあるのか等？ A. *****現在調査中*****

21 ↑ DATA Samples All numbers after data quality and kinematic cuts ↑

22 Extracted Quark Polarization
(Δu+Δu)/(u+u) _ (Δd+Δd)/(d+d) _ Δq/q _

23 Semi-inclusive Asymmetries
<PT>: 0.82±0.05 (prelim.) Target Polarization π+/- Semi-inclusive Asymmetries on Proton Target Inclusive h+/-

24 Semi-inclusive Asymmetries
K+/- h+/- Semi-inclusive Asymmetries on Deuterium Target π+/- Inclusive

25 Extracted Quark Polarization
(Δd+Δd)/(d+d) _ Δq/q (Δu+Δu)/(u+u) This flavor is sensitive to D asymmetry, and syst. uncertainty of the sea quark Unpol. PDF parameterization _

26 Extracted Quark Polarization
Δu/u Δd/d d quark sensitive to A1D _ _ Δu/u _ _ QED radiative correction largely affects this bin for A1D, and caused of proton Purity for this flavor. Δd/d Δｓ/ｓ s quark PDFs are largely different between parameterizations.

27 The Symmetry of the Polarized Light quark
Δu-Δd _

28 Purities for Charged Hadrons
｜π＋＞＝｜u d＞ ｜πー＞＝｜u d＞ _ Purities for Charged Hadrons originate from struck quark “q” Purity (Pq)： Probability of hadron “h” Purities Hadron h+/-

29 Purities for Charged Hadrons
｜π＋＞＝｜u d＞ ｜πー＞＝｜u d＞ _ Purity (Pq)： virtual photon　と相互作用した quark “q” から hadron “h”が 生成される確率 Purities for Charged Hadrons Purities Hadron h+/-

30 Extracted Quark Polarized
Density The x-weighted polarized quark densities, x・Δq(x). The plots show a five parameter fit to the data assuming a symmetric strange sea polarization. The data were evolved to a common Q2=2.5GeV2. The dashed blue line shows - the GRSV parameterisation (PHYS. REV. D53 (1996) 4775, 'STANDARD' SCENARIO, LEADING ORDER), and the dashed-dotted red line - the Bluemlein-Boettcher parameterisation (hep-ph/ , LEADING ORDER - Scenario 1).

31 Summary and Outlook _ _ _ → H, D
１ ~ 2000年の data ( 標的) を用いてInclusive/Semi-inclusive asymmetry の測定が行われた。その結果は　SMC　E143　の実験 　　結果と高い精度で一致していおり、統計精度は飛躍的に改善されて 　　いる。 ２. HERMES実験では Target　を用いて　LO QCD 解析において 　　Polarized quark distribution　の抽出を行った。 3. 世界で初めて sea quark 対称性の仮定を用いずに個々の sea quark 　　polarization の抽出を行った。 (ただし Δｓ = Δｓ). 4. 世界で初めて strange sea quark polarization の抽出を行った。 ⇒　Δｓ/ｓ　：　わずかに正またはゼロの値を示している 5. Δu - Δｄ　の抽出を試みた。 今後の課題として、Fragmentation function を HERMES実験で測定 されたものを用いて decomposition することで、sea quark polarization 結果における系統的誤差を減らすことが期待できる。 　 _ _ _

32 HERMES HERMES Experiment @ドイツ・ハンブルグ

33 Measured Semi-inclusive Asymmetries
on Proton target : Measured number of DIS hadrons : Luminosity : Beam, target polarization

34 Purities for Charged Hadrons

35 Purities for Charged Hadrons

36 Measured Semi-inclusive Asymmetries
on Proton target

37 Measured Semi-inclusive Asymmetries
on Deuterium target

38 Measured Semi-inclusive Asymmetries
on Deuterium target RICH detector allows extraction of semi-inclusive π± and K± asymmetries.

39 Extraction Quark Polarization
using Purity

40 Semi-inclusive Asymmetries
on Deuterium Target

41 Semi-inclusive Asymmetries
: 0.82±0.05 (prelim.) Semi-inclusive Asymmetries on Proton Target

42 Extracted Quark Polarization

43 Extracted Quark Polarization

44 The Symmetry of the Polarized Light quark

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47 Purities for Charged Hadrons
｜π＋＞＝｜u d＞ ｜πー＞＝｜u d＞ _ Purity (Pq)： virtual photon　と相互作用した quark “q” から hadron “h”が 生成される確率 Purities for Charged Hadrons Purities Hadron h+/-