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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

1. HERMES experiment 2. Inclusive/Semi-inclusive spin asymmetry 3. Quark polarization 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. 東工大理 柴田研究室. 第５８回　日本物理学会 2002 年　 9 月 14 日 立教大学. Contents. Cherenkov. HERMES Experiment.

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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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Presentation Transcript

  1. 1. HERMES experiment 2. Inclusive/Semi-inclusive spin asymmetry 3. Quark polarization 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 東工大理 柴田研究室 第５８回　日本物理学会 2002年　9月14日 立教大学 Contents

  2. Cherenkov 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　～　13.5GeV/c ) - Ring Imaging Cherenkov Counter (RICH) 1998～ π, Ｋ, p separation ( 2 ～ 15 GeV/c)

  3. PMT Plane Mirror C4F10 Gas particle track Ring Imaging Cherencov Counter 1998 ~ 2000 data Cherencov angle(Θｃ) vsMomentum(GeV/c) Aerogel Tiles Θｃ (rad) Aerogel Tiles C4F10Gas • Radiator • C4F10Gas n=1.0014 • Aerogel Tiles n=1.0303 • PMT • 3/4 inch 1934 PMTs • Momentum region • 2 ~ 15 GeV/c P (GeV/c)

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

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

  6. virtual photon qf+(x) e Beam spin Polarized Quark Distribution Target spin Δqf(x) ≡ qf+(x) - qf-(x) virtual photon qf-(x) e Beam spin Target spin - N N 2 e/h e/h e/h = = A (x, Q ) 1 + N N e/h e/h Ne/h : Total number of inclusive leptons/semi-inclusivehadrons Spin Asymmetries Inclusive/Hadron Spin AsymmetryA1

  7. → H → → D DATA Samples ※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. π+/-identification by Threshold Cherencov Counter in 4.9 ~ 13.5 GeV/c 1996~1997 data h+/- Measured Asymmetries on Proton Target Inclusive π+/-

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

  10. PMT Plane Mirror C4F10 Gas particle track Ring Imaging Cherencov Counter 1998 ~ 2000 data Cherencov angle(Θｃ) vsMomentum(GeV/c) Aerogel Tiles Θｃ (rad) Aerogel Tiles C4F10Gas • Radiator • C4F10Gas n=1.0014 • Aerogel Tiles n=1.0303 • PMT • 3/4 inch 1934 PMTs • Momentum region • 2 ~ 15 GeV/c P (GeV/c)

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

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

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

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

  15. Positive contribution to nucleon spin in the measured region. Negative contribution. : GRSV/(1+R) parameterizationRef. [1] : Bluemlein-Boettcher parameterizationRef. [2] (Q2=2.5GeV2) Extracted Quark Polarized xbj weighted Density Sea quark contribution almost zero. [1]PHYS. REV. D 53 (1996) 4775, ’ STANDARD ’ SCENARIO, LEADING ORDER [2]hep-ph/0203155, 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

  19. 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. PuriryMatrix 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*****

  20. ↑ DATA Samples All numbers after data quality and kinematic cuts ↑

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

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

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

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

  25. 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.

  26. _ _ Δu-Δd The Symmetry of the Polarized Light quark

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

  28. _ _ ｜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+/-

  29. 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/0203155, LEADING ORDER - Scenario 1).

  30. H, D → → Summary and Outlook １. 1996 ~ 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　SMCE143　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。 　 _ _ _

  31. HERMES HERMES Experiment HERA @DESY @ドイツ・ハンブルグ

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

  33. Purities for Charged Hadrons

  34. Purities for Charged Hadrons

  35. Measured Semi-inclusive Asymmetries on Proton target

  36. Measured Semi-inclusive Asymmetries on Deuterium target

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

  38. Extraction Quark Polarization using Purity

  39. Semi-inclusive Asymmetries on Deuterium Target

  40. : 0.82±0.05 (prelim.) Semi-inclusive Asymmetries on Proton Target

  41. Extracted Quark Polarization

  42. Extracted Quark Polarization

  43. The Symmetry of the Polarized Light quark

  44. _ _ ｜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+/-

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