Azimuthal Asymmetries in Unpolarised Semi-Inclusive DIS at COMPASS

Technische Zusammenfassung: Azimutale Asymmetrien in unpolarisierter semi-inklusiver DIS bei COMPASS

Problemstellung
Im Rahmen der Quantenchromodynamik (QCD) wird die innere Struktur des Nukleons, insbesondere hinsichtlich des transversalen Impulses, durch transversalimpulsabhängige Partonverteilungsfunktionen (TMD PDFs) beschrieben. In der semi-inklusiven tiefinelastischen Streuung (SIDIS) induziert der nicht-verschwindende transversale Impuls der Partonen eine azimutale Abhängigkeit im Wirkungsquerschnitt. Für ein unpolarisiertes Nukleon ergeben sich drei spezifische azimutale Modulationen, die Informationen über TMD PDFs und Fragmentierungsfunktionen (FFs) tragen:

1. Eine $\cos \phi_h$-Modulation (der Cahn-Effekt), verknüpft mit unpolarisierten TMDs ($f_1, D_1$).
2. Eine $\cos 2\phi_h$-Modulation, verknüpft mit der Boer–Mulders-TMD-PDF ($h^\perp_1$) und der Collins-FF ($H^\perp_1$).
3. Eine $\sin \phi_h$-Modulation (Strahl-Spin-Asymmetrie), verknüpft mit Twist-drei-Funktionen ($e, g^\perp$).

Während frühere COMPASS-Messungen mit einem isoskalaren ($^6$LiD)-Target Daten zu diesen Asymmetrien lieferten, war eine neue Analyse unter Verwendung eines flüssigen Wasserstofftargets (Proton) erforderlich, um die Flavour-Abhängigkeit zu untersuchen und das Verständnis der Nukleonstruktur zu verfeinern. Eine wesentliche Herausforderung in dieser Analyse ist die Kontamination durch Hadronen, die aus dem Zerfall exklusiv produzierter Vektor-Mesonen stammen (z. B. $\rho^0 \to \pi^+\pi^-$, $\phi \to K^+K^-$), die große azimutale Modulationen aufweisen und subtrahiert werden müssen, um das echte SIDIS-Signal zu isolieren.

Methodik
Die Analyse nutzt Daten, die vom COMPASS-Experiment am CERN während der Jahre 2016 und 2017 gesammelt wurden. Das Experiment verwendete einen longitudinal polarisierten Myonstrahl ($\mu^+$ und $\mu^-$) mit 160 GeV/c, der an einem flüssigen Wasserstofftarget gestreut wurde. Die Strahlpolarisation betrug ungefähr $\lambda_{\mu^-} \approx 0.8$ und $\lambda_{\mu^+} \approx -0.8$.

• Ereignisselektion: SIDIS-Ereignisse wurden basierend auf kinematischen Schnitten ausgewählt: $Q^2 > 1 \text{ (GeV/c)}^2$, $W > 5 \text{ GeV/c}^2$, $x < 0.13$, $0.2 < y < 0.9$ und ein Polarwinkel des virtuellen Photons $\theta_{\gamma^*} < 60 \text{ mrad}$. Nur Hadronen mit $z > 0.1$ und $P_T > 0.1 \text{ GeV/c}$ wurden berücksichtigt, um eine gute Auflösung im azimutalen Winkel $\phi_h$ zu gewährleisten.
• Untergrundsubtraktion: Ein kritischer methodischer Fortschritt in dieser Arbeit ist ein neues Verfahren zur Subtraktion des Untergrunds von diffraktiv produzierten Vektor-Mesonen. Diese Mesonen zerfallen in Hadronenpaare, die die Bereiche niedrigen $Q^2$ und niedrigen $P_T$ bevölkern, sich aber über den gesamten $z$-Bereich erstrecken.
  • Ereignisse mit einem Endzustand, der ausschließlich $\mu' h^+ h^-$ enthält, und einer kombinierten $z_{h^+} + z_{h^-} > 0.95$, wurden explizit verworfen.
  • Der verbleibende Untergrund von teilweise rekonstruierten Paaren wurde unter Verwendung des Monte-Carlo-(MC)-Generators HEPGEN abgeschätzt, über die Verteilung der fehlenden Energie rekonstruierter Paare an die Daten normiert und bin-für-bin in $\phi_h$ subtrahiert.
• Analyseansatz: Die Amplituden der azimutalen Modulationen wurden durch Anpassung der $\phi_h$-Verteilungen extrahiert. Die Analyse wurde auf zwei Arten durchgeführt:
  1. 1D-Ansatz: Integration über zwei Variablen ($x, z, P_T$), um die verbleibende Variable zu untersuchen.
  2. 3D-Ansatz: Gleichzeitige Binning in $x, z$ und $P_T$.
  • Die 1D-Ergebnisse wurden weiter in vier $Q^2$-Bereiche unterteilt.
  • Daten von $\mu^+$- und $\mu^-$-Strahlen wurden als kompatibel befunden und zusammengeführt.
• Korrekturen: Akzeptanzkorrekturen wurden unter Verwendung des LEPTO MC bestimmt. Zum Zeitpunkt dieser Präsentation wurden keine QED-Strahlungskorrekturen angewendet, obwohl Arbeiten mit dem DJANGO MC laufen. Systematische Unsicherheiten wurden als vergleichbar groß wie die statistischen Unsicherheiten abgeschätzt.

Hauptbeiträge

1. Neue Untergrundsubtraktionstechnik: Die Arbeit führt eine verfeinerte Methode ein und wendet sie an, um das SIDIS-Signal zu isolieren, indem eine explizite Ereignisverwerfung mit einer MC-gesteuerten Subtraktion der nicht-sichtbaren Komponente des Vektor-Meson-Zerfalls kombiniert wird.
2. Daten vom Proton-Target: Diese Arbeit präsentiert die erste Extraktion dieser azimutalen Asymmetrien unter Verwendung eines flüssigen Wasserstofftargets innerhalb der COMPASS-Kollaboration und ergänzt frühere Ergebnisse mit isoskalaren Targets.
3. Analyse der $Q^2$-Abhängigkeit: Die Analyse untersucht explizit die Abhängigkeit der Asymmetrien von $Q^2$, eine Dimension, die in früheren Analysen mit isoskalaren Targets nicht vollständig erforscht wurde.

Ergebnisse

• $\cos \phi_h$-Amplitude ($A_{UU}^{\cos \phi_h}$):
  • Die Amplituden sind deutlich ungleich null und zeigen einen Unterschied zwischen positiven ($h^+$) und negativen ($h^-$) Hadronen, was auf eine potenzielle Flavour-Abhängigkeit des intrinsischen transversalen Impulses $\langle k_T^2 \rangle$ hindeutet.
  • Entgegen der Erwartung, dass der Cahn-Effekt (unterdrückt durch $1/Q$) dominieren würde, wurde beobachtet, dass die Amplituden mit $Q^2$ zunehmen. Dieser Trend war über sechs verschiedene $x$-Bereiche hinweg konsistent.
  • Der Unterschied zwischen $h^+$ und $h^-$ ist ausgeprägter als in früheren Ergebnissen mit isoskalaren Targets.
• $\cos 2\phi_h$-Amplitude ($A_{UU}^{\cos 2\phi_h}$):
  • Die Amplituden für $h^+$ sind im Allgemeinen mit null vereinbar.
  • Die Amplituden für $h^-$ sind positiv.
  • Es wurde keine sichtbare Abhängigkeit von $Q^2$ beobachtet.
• $\sin \phi_h$-Amplitude ($A_{LU}^{\sin \phi_h}$):
  • Die Ergebnisse der Strahl-Spin-Asymmetrie sind positiv und für sowohl $h^+$ als auch $h^-$ vereinbar.

Bedeutung und Behauptungen
Die Autoren stellen fest, dass die präsentierten Ergebnisse „qualitativ mit früheren COMPASS-Ergebnissen übereinstimmen, die mit einem isoskalaren Target erhalten wurden". Die primäre Bedeutung liegt in der Bestätigung dieser Asymmetrien an einem Proton-Target und der Beobachtung der $Q^2$-Abhängigkeit in der $\cos \phi_h$-Amplitude. Die Arbeit weist darauf hin, dass der beobachtete Anstieg der Amplitude mit $Q^2$ angesichts der theoretischen Erwartung für den Cahn-Effekt „kontraproduktiv" ist, klärt jedoch, dass ein direkter Vergleich mit Daten von isoskalaren Targets bezüglich dieser spezifischen $Q^2$-Abhängigkeit derzeit nicht möglich ist, da die vorherige Analyse diese Abhängigkeit nicht extrahiert hat. Die Arbeit dient als qualitative Validierung des TMD-Rahmens am Proton und unterstreicht die Notwendigkeit einer rigorosen Untergrundsubtraktion für präzise Messungen.