( ) “ ” .04.16 - §

..

( )

“ ”

.04.16 - §, ¦

-2013

. ..

()

Авагян Арутюн Робертович

“Исследование спиновых и азимутальных ассиметрий при электророждении”

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени доктора физико-

математических наук по специальности 01.04.16 “Физика ядра,

элемнтарных частиц и космических лучей”

ЕРЕВАН- 2013

.. - ()

.______________________

.______________________

.______________________

____________________________________________

2013 . ____________ 1400-

- « » 024 ( -0036, . 2):

- :

____________ 2013 .

..

====================================================================

Тема диссертации утверждена () . .

: - ___________________

- _____________________

- ________________________

Ведущая рганизация:

Защита остои ________________ 2013г.. в 14 часов на заседании специализированного совета ВАК 024 ”Физика ядра и элементарных частиц” (Ереван-0036, ул. Братьев Алиханян 2)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Автореферат разослан ___________2013 г.

Ученый секретарь . Совта - Д. Р. Караханян

Общая характеристика работы.

В диссертационной работе представлены результаты измерений спиновых и азимутальных асимметрий в глубоко неупругих процессах при рассеянии электронов и позитронов высоких энергий на ядрах, включая впервые проведенные наблюдения односпиновых асимметрий в электророждении заряженных и нейтральных пионов в полуинклюзивном глубоко неупругом рассеянии в случае поляризованной мишени и поляризованного пучка. Все экспериментальные измерения были выполнены на установке HERMES в DESY и в Холле Б ускорителя CEBAF (США) с 1995 по 2011. Представленные данные представляют собой впервые проведенные измерения всех рассмотренных наблюдаемых. Измерение односпиновых асимметрий положило начало серии измерений, целью которых было детальное исследование, так называемой, трехмерной структуры адронов, позволяющей изучение распределений партонов, не только по продольному импульсу, но и по поперечному, по отношению к направлению импульса быстро движущегося адрона, а также по поперечной координате относительно центра адрона.

Актуальность работы.

Понимание кварк-глюоной структуры адронов в рамках теоретической базы квантовой хромодинамики (КХД) является одной из основных задач ядерной физики. Спин нуклона всегда был важным компонентом в исследовании и понимании КХД. Исследование орбитального момента партонов стало ключевым вопросом КХД после того, как измерения, выполненные коллаборациями SLAC и EMC показали что суммарный вклад спинов кварков составляет лишь малую часть спина нуклона. Азимутальные распределения частиц в конечном состоянии в полуинклюзивном глубоко неупругом рассеянии (SIDIS) играют важную роль в изучении поперечного распределения импульсов кварков в нуклоне и обеспечивают доступ к орбитальному движению кварков. В последние годы измерения азимутальных моментов поляризованных адронных сечений в жестких процессах, в частности, односпиновые асимметрии (SSA), рассматриваются в качестве мощного инструмента для исследования структуры нуклонов посредством измерения обобщенных распределений партонов (GPDs) и партонных функций распределения, зависящих от поперечного импульса (TMDs) в эксклюзивном и полуинклюзивном рождении частиц, соответственно адронов и фотонов. Первые однозначные измерения односпиновых асимметрий в SIDIS, которые положили начало важным теоретическим разработкам, стали измерения значительных SSA коллаборацией HERMES в случае продольно поляризованной мишени [1, 2, 3, 4]. Обнаружение ненулевой SSA повлекло огромное количество теоретических и экспериментальных работ. В настоящее время во всем мире ставится множество экспериментов с целью измерения различных эффектов, связанных с поперечной структурой нуклонов. Они используют полуинклюзивное глубоконеупругое рассеяние (HERMES в DESY, COMPASS в ЦЕРН, Jefferson Lab), поляризованные протон-протонные столкновения (PHENIX, STAR и Брамса на RHIC), и электрон-позитронную аннигиляцию (Belle на KEK, и BABAR на SLAC).

Исследования SSA в настоящее время требуют модернизации нескольких существующих установок (JLab, RHIC,COMPASS) и строительства новых центров по всему миру (EIC, GSI, JPARC).

Целью настоящей работы является исследование трехмерной структуры нуклонов в рамках кварк-глюоного описания, основанного на извлечении обобщенных партонных распределений из измерений спиновых и азимутальных асимметрий в электророждении адронов, в полуинклюзивном глубоко неупругом рассеянии и глубоко неупругом эксклюзивном рождении адронов и фотонов. Протоны являются сложными системами, с богатой внутренней структурой и сложной динамикой. В настоящее время мы не очень хорошо понимаем, например, динамику того как спин кварков коррелирует с их положением внутри адрона и их импульсом. Измерение односпиновых асимметрий впервые дало возможность исследовать динамику кварк-глюонных корреляций спина, положения в пронстранстве, и импульса. Таким образом, одномерная картина партонных распределений может быть обобщена, и это позволит получить трехмерное изображение, дающее представление о распределении кварков в поперечном пространстве по импульсам и координатам. Понимание кварковых взаимодейстий в конечном состоянии, и их влияния на формирование конечного поперечного импульса кварков, которое можно изучать посредством измерения односпиновых асимметрий, является на сегодняшний день одним из ключевых вопросов физики сильных взаимодействий.

Научная новизна работы: В настоящей работе впервые проведены наблюдения односпиновых асимметрий в электророждении пионов в полуинклюзивном глубоко неупругом рассеянии в случае поляризованной мишени, а также односпиновых асимметрий в электророждении заряженных мезонов, и впервые были измерены значительные односпиновые асимметрии для отрицательных и нейтральных пионов в полуинклюзивном глубоко неупругом рассеянии в случае поляризованного пучка. Впервые была измерена асимметрия Коциняна-Мулдерса­­ и зависимость двойной асимметрии спина в полуинклюзивном глубоко неупругом рассеянии от поперечного импульса рожденных адронов. В исследованиях эксклюзивных процессов впервые наблюдались односпиновые асимметрии в жестком эксклюзивном рождении фотонов (DVCS) в случае поляризованной мишени, а также односпиновые асимметрии в рождении жестких эксклюзивных пионов в случае поляризованного пучка.

Практическая ценность: Полученные результаты указывают на наличие сильных спин- орбитальных корреляций в результате которых положение кварков и их поперечные импульсы зависят от их спина. Фактически, спин кварков влияет на вероятность нахождения кварка в определенной точке пространства с определенным импульсом. Цикл измерений односпиновых асимметрий представленный в настоящей работе открыл новые возможности для исследований кварк-глюонных корреляций и исследования трехмерной структуры адронов.

Распределения партонов в поперечном пространстве, закодированные в обобщенных распределениях партонов (GPDs) и распределения партонов по поперечным импульсам, закодированные в TMDs, признаны в качестве основных целей модернизации Jlab на 12 ГэВ и  главным мотивом строительства коллайдера (Electron Ion Collider). Несколько проектов уже были утверждены научным советом JLab PAC для изучения GPDs и TMDs на JLab12 с присвоением высших рейтингов по физике. Использование модернизированного электронного пучка в JLab и обновленного CLAS12 детектора с сочетанием широкого кинематической охвата, высокой интенсивности пучка (светимости), высокой энергиии, высокой поляризации, а также расширенными возможностями идентификации частиц, даст уникальную возможность для изучения корреляций спина с поперечным импульсом, при жестком рассеянии в эксклюзивных и полуинклюзивных глубоко неупругих процессах с беспрецедентной точностью.
Автор выносит на защиту следующие основные положения и результаты:
• Впервые были проведены наблюдения односпиновых асимметрий в электророждении пионов на продольно поляризованной мишени [1,2,3,4].

• Впервые наблюдались односпиновые асимметрии в электророждении пионов в случае поляризованного пучка [5, 6,14].

• Впервые были проведены значительные измерения односпиновых асимметрий для отрицательных пионов [7] и нейтральных пионов [8,21] в SIDIS.

• Впервые были измерены зависимости двойной асимметрии спина в SIDIS от поперечного импульса конечного пиона [9,12,14,17,19].

• Впервые проведены измерения асимметрии Коциняна-Мулдерса в SIDIS [1,9,13,16,17,18].

• Впервые наблюдались односпиновые асимметрии в жестком эксклюзивном рождении фотонов (DVCS) в случае поляризованной мишени [10,20].

• Впервые наблюдались односпиновые асимметрии в жестком эксклюзивном рождении пионов продольно поляризованными электронами [11,20].

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы неоднократно докладывались на научных семинарах, и международных конференциях (DIS 1999, 2000, 2005, SPIN 2003, 2006, 2012, CIPANP 2003, PANIC 2008, EINN 2009, Transversity 2005, 2012, ECT* 2004, 2006, 2010,..).

Обьем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Работа изложена на 209 страницах машинописного текста и включает 109 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 328 наименований.

Краткое содержание диссертации:

Введение содержит краткое научное обоснование актуальности исследования трехмерной структуры адронов. Измерения поперечных импульсов (PT) в конечном состоянии адронов в ер e'hХ, для которых адрон детектируется в совпадении с рассеянным лептоном, позволяет получить поперечные распределения импульса партонов (TMDs), которые не доступны в инклюзивном рассеянии. КХД-факторизация для SIDIS, доказанная для низких поперечных импульсов в токовой фрагментации [22, 23, 24], обеспечивает строгий формализм для изучения партонных TMD из SIDIS данных, используя различные спин-зависимые и спин-независимые наблюдаемые эффекты [25].

В первой главе обсуждаются элементы теории электророждения при больших передачах для полуинклюзивных и эксклюзивных процессов с акцентом на корреляции поперечных и продольных степеней свободы. Мы также обсуждаем в деталях различные модельные расчеты TMDs, которые затем используются для сравнения измеряемых асимметрий с теоретическими предсказаниями.

Все партонные TMD распределения получены при измерениях спиновых и азимутальных асимметрий в полуинклюзивном DIS (SIDIS) с поляризованным пучком или мишенью, где TMD появляются в виде сверток с соответствующими функциями фрагментации. В предположении однофотонного обмена, лептон-адронное сечение может быть выражено модельно-независимым образом с помощью набора структурных функций [25,26].

Рис. 1 Кинематика полуинклюзивного рождения адронов.

До настоящего времени КХД-факторизация для полуинклюзивных процессов при низких поперечных импульсах в области фрагментации тока была установлена в работах [23, 24] только для лидирующих твистов. Структурные функции факторизируются в TMD распределения, функции фрагментации партона и части описывающей неупругое рассеяние (HUU,...) [23].

где kT и pT являются поперечными импульсами кварков до и после рассеяния, определяющие поперечный импульс конечного адронa PT = zkT + рт (см. Рис.1). Неполяризованная D1 и поляризованная H1 функции фрагментации в целом зависят от поперечного импульса фрагментирующегося кварка. Расчеты зависимости TMDs от поперечного импульса в различных моделях [27, 28, 29, 30] и на решетке [31, 32] показывают, что зависимость поперечного распределения кварков от их поляризации и аромата может быть очень значительной. Орбитальный момент кварков существенно меняет распределение кварков в области валентных кварков, в частности, распределения кварков анти-выровненные со спином протона [33]. Простые модельные расчеты также показывают, что кварки ориентированные по спину протона, q+, и анти-ориентированные по спину протона, q-, могут иметь очень разные распределения по поперечным импульсам [12]. Это может привести к наблюдаемым эффектам в зависимости двойной продольной асимметрии от поперечного импульса, PT, конечного адрона[28]. Последние результаты по расчетам TMDs с КХД на решетке [31, 35, 32], показывают, что спин-орбитальные корреляции могут изменить распределение партонов по поперечным импульсам. Измерения зависимости распределений по поперечному импульсу от спиральности также важны для интерпретации текущих исследований на различных установках во всем мире по поляризации глюонов с использованием адронов с высокими PT [36, 37, 38].

Измерения можественностей (multiplicity) и двойной спиновой асимметрии в зависимости от конечного поперечного импульса пионов в SIDIS в JLab [39, 9] показывают, что поперечные распределения импульса могут зависеть от поляризации кварков и, возможно, их аромата.

В пертурбативном пределе больших PT, асимметрия, как и ожидается, будет PT -независимой. В случае, если ширины f1 (0) и g1 (2) различны [28], что может быть обусловлено спин-орбитальными корреляциями [26], двойная асимметрия будет проявлять нетривиальную зависимость от поперечного импульса конечного адронного состояния PT:

Измерение PT-зависимости g1/f1, позволит получить ширины распределений по поперечным импульсам партонов, в частности, распределения спиральности g1 (2). x и z-зависимости двойной асимметрии будут определятся полностью x-зависимостью функций распределения f1 и g1, и z-зависимостью неполяризованной функции фрагментации D1.

Для поляризованных мишеней, несколько азимутальных асимметрий возникает уже в главном порядке. Для продольно-поляризованных мишеней единственный вклад в ведущем порядке включает свертку RSMT TMD и функции фрагментации Коллинза [25]:

Значительная асимметрия была предсказана [40, 41, 28, 42, 43] только при больших х (х> 0,2), в области хорошо исследованной в JLab. (sin2)-асимметрия, которая впервые обсуждалась Коциняном и Мулдерсом [70], в ведущем порядке вклада типа Сиверса не дает и может быть использована для измерений функции фрагментации Коллинза. (Sin2)-момент продольной SSA попзволяет получить RSMT TMD функции твиста 2 (h1L). Первые расчеты RSMT TMD были выполнены в дикварковой модели [33]. Недавно RSMT TMD была рассчитана в модели составляющих кварков [29] с использованием различных волновых функций. Альтернативный подход использует так называемые "Лоренц-инвариантные соотношения ", которые соединяют h1L с h1 распределением, описывающим поперечно поляризованные кварки в поперечно поляризованном протоне [44]. RSMT TMD порождает дипольную деформацию в x-интегрированных, kT-зависимой плотности поперечно-поляризованных кварков внутри продольно-поляризованных нуклонов, как показано на Рис. 2.

Рис. 2 x-интегрированная плотность кварков, поляризованных в поперечном направлении х внутри продольно-поляризованных нуклонов. Эти результаты были получены на решетке (lattice QCD) для массы пиона m 500 МэВ [31]. Вставки отображают спиновые поляризации кварков и нуклонов.

В связи с дипольной деформацией, эта плотность не осесимметрична. Пик явно смещен от центра вдоль оси, определяемой вектором поперечного спина. Этот сдвиг связан с ненулевым средним поперечным импульсом кварка. Эти вклады имеют одинаковый знак и величины, похожие на те, что были получены в кварковой модели [29, 45], несмотря на нефизически большие массы кварков в решеточных расчетах.

Извлечение RSMT TMD из SIDIS данных требует знания неизвестного отношения функции Коллинза к неполяризованной функции фрагментации. Измерения (sin2)-момента проведенные коллаборацией HERMES [2] оказались сопоставимы с нулем, в то время как измерения (sin)-момента в том же эксперименте оказались существенно ненулевыми.
Измерения проведенные коллаборациями HERMES [46] и Belle [47] показывают, что лидирующая и подавленная функции Коллинза примерно равны и имеют противоположные знаки.

Известно что основной вклад в (sin)-спин-зависимом сечении в случае продольно поляризованной мишени идет от высших твистов [25], которые подавлены по 1/Q при больших переданных импульсах. Наблюдаемыe, зависящие от высоких твистов, например SSA в случае продольно-поляризованного пучка или мишени, имеют важное значение для понимания кварк-глюонной динамики на далеких растояниях. Недавно эффекты от высшего твиста в SIDIS были проинтерпретированы в терминах средней поперечной силы, действующей на активный кварк в момент после поглощения виртуального фотона [48].
Как (sin)- так и (sin2)-моменты сечения SIDIS для продольно-поляризованных мишеней являются важным источником независимой информации о механизме фрагментации Коллинза [25], дополняющие недавние измерения Belle [47]. (Sin2)-асимметрия, однако, обеспечивает чистое измерения фрагментации Коллинза, потому что оно не имеет вклада типа Сиверса в лидирующем порядке [49].

Наблюдаемыe имеющие высшие твисты, например, FUL, FLU,..., важны для понимания кварк-глюонной динамики и они также могут быть получены как ведущие вклады при измерениях определенных асимметрий [50, 44, 48, 51] и, в частности sin SSA с продольно- поляризованными пучками или мишенью.

Измерения высших твистов представляют интерес по нескольким причинам. В партонных моделях описание этих структурных функций было начато в [44] и завершено совсем недавно [42, 43, 52]. Твист-3 вклады в сечении в целом выглядят как свертки твист-3 функций распределения и твист-2 функции фрагментации и наоборот.