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 1 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 2 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？ 1 1    G  L 2 2 RHIC Spin 実験 3 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 4 グルーオン偏極測定の原理 • 偏極陽子衝突で ALL を測る。  ()   () ALL   ()   () = (parton pol.)2× (aLL in parton reaction) 5 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） gg  gg G G  G G gq  gq q G  q G qq  qq q  q  q q • 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 6 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 7 The Relativistic Heavy Ion Collider accelerator complex at Brookhaven National Laboratory Brhams RHIC @ BNL pp2pp • 偏極陽子陽子コライダー PHENIX STAR （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) 8 PHENIX実験 Pioneering High Energy Nuclear Interaction EXperiment 9 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, f = 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 10 ALL 測定 PHENIX p0 central arm (y~0) 11 Gは？ • 欲しいもの：g(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、 – g(x)の関数系を仮定例： g(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.） – Gを仮定して、それ以外のパラメータはDISを使って決める – G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) 12 最近のGlobal Analysisの例 de Florian et al., PRL101 (2008) 072001 13 PHENIX h ALL 14 jet@PHENIX 15 Charged pion 16 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 (G~0.4)とG=0はそろそろ区別できそう – 今のところG=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。 – g(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 g(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  pp collision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（G） – 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” absolute pH polarimeters polarimeter BRAHMS & PP2PP PHOBOS Siberian Snakes RHIC PHENIX STAR Siberian Snakes Spin Rotators 5% Snake LINAC Pol. Proton Source BOOSTER AGS 200 MeV polarimeter 20% Snake Rf Dipoles AGS pC “CNI” polarimeter Coulomb-Nuclear Interference 25 陽子のスピンの起源 • 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％ Deep Inelastic Scattering k’ k – 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 Elastic • 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 P 26 q xP= p p’ 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 x(u  u) xuv x(d  d ) xd v xu x d DSSV Global Fit (2008) DNS(DIS+SIDIS+pp) 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, Δdbarを精度よく決定することができる