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RHIC PHENIX 実験における 陽子スピン構造の探求

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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. 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. レプトン DIS の結果. 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?

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Presentation Transcript
rhic phenix

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

rhic spin program
RHIC SpinProgram
  • 「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
slide3
レプトンDISの結果
  • 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

slide4
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
slide5
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)

slide6
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
slide7
測定チャンネルの例
  • 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
slide8

Brhams

pp2pp

PHENIX

STAR

The Relativistic Heavy Ion Collider

accelerator complex

at Brookhaven National Laboratory

  • RHIC @ 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)
phenix
PHENIX実験

Pioneering High Energy Nuclear Interaction EXperiment

the phenix detector
The PHENIX Detector
  • Philosophy
    • 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
slide11
ALL測定

PHENIX p0

central arm

(y~0)

slide12
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) 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:DSSV(de Florian et al., PRL101(2008) 072001)
global analysis
最近のGlobal Analysisの例

de Florian et al., PRL101(2008) 072001

slide17
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?
slide18

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

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

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
slide22
今後の予定
  • 2011年はRun11をセットアップ中
    • 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
    • 2014までに合計300pb-1(@PHENIX)のデータを収集予定。
  • 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
rhic p p accelerator complex
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

slide25

k’

k

q

Elastic

p’

p

P

xP=

陽子のスピンの起源

Deep Inelastic Scattering

  • 陽子のスピンはクォークのスピンで説明できると期待
    • 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
parton polarization function
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)

future prospects
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