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RHIC PHENIX 実験における 陽子スピン構造の探求

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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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 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

  3. 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

  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 • 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. 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)

  9. PHENIX実験 Pioneering High Energy Nuclear Interaction EXperiment

  10. 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

  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) 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)

  13. 最近のGlobal Analysisの例 de Florian et al., PRL101(2008) 072001

  14. PHENIX h ALL

  15. jet@PHENIX

  16. Charged pion

  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 • ppcollisionでは初のW->e 測定 • これまでで最も低い√s での測定

  21. 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

  22. 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

  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. 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

  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

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