Azimuthal Asymmetries in Unpolarised Semi-Inclusive DIS at COMPASS

Resumen Técnico: Asimetrías Azimutales en DIS Semi-Incluyente No Polarizado en COMPASS

Enunciado del Problema
En el marco de la Cromodinámica Cuántica (QCD), la estructura interna del nucleón, particularmente en lo que respecta al momento transversal, se describe mediante Funciones de Distribución de Partones Dependientes del Momento Transversal (TMD PDFs). En la Dispersión Inelástica Profunda Semi-Incluyente (SIDIS), el momento transversal no nulo de los partones induce una dependencia azimutal en la sección eficaz. Para un nucleón no polarizado, surgen tres modulaciones azimutales específicas que portan información sobre las TMD PDFs y las funciones de fragmentación (FF):

1. Una modulación $\cos \phi_h$ (el efecto Cahn), relacionada con TMDs no polarizados ($f_1, D_1$).
2. Una modulación $\cos 2\phi_h$, relacionada con la TMD PDF de Boer–Mulders ($h^\perp_1$) y la FF de Collins ($H^\perp_1$).
3. Una modulación $\sin \phi_h$ (asimetría de espín del haz), relacionada con funciones de twist tres ($e, g^\perp$).

Aunque las mediciones anteriores de COMPASS utilizando un blanco isoescalar ($^6$LiD) proporcionaron datos sobre estas asimetrías, se requirió un nuevo análisis utilizando un blanco de hidrógeno líquido (protón) para explorar la dependencia de sabor y refinar la comprensión de la estructura del nucleón. Un desafío significativo en este análisis es la contaminación procedente de hadrones originados en la desintegración de mesones vectoriales producidos exclusivamente (por ejemplo, $\rho^0 \to \pi^+\pi^-$, $\phi \to K^+K^-$), los cuales exhiben grandes modulaciones azimutales y deben restarse para aislar la señal SIDIS verdadera.

Metodología
El análisis utiliza datos recopilados por el experimento COMPASS en el CERN durante 2016 y 2017. El experimento empleó un haz de muones de 160 GeV/c polarizado longitudinalmente ($\mu^+$ y $\mu^-$) dispersándose sobre un blanco de hidrógeno líquido. La polarización del haz fue aproximadamente $\lambda_{\mu^-} \approx 0.8$ y $\lambda_{\mu^+} \approx -0.8$.

• Selección de Eventos: Se seleccionaron eventos SIDIS basándose en cortes cinemáticos: $Q^2 > 1 \text{ (GeV/c)}^2$, $W > 5 \text{ GeV/c}^2$, $x < 0.13$, $0.2 < y < 0.9$, y un ángulo polar de fotón virtual $\theta_{\gamma^*} < 60 \text{ mrad}$. Solo se consideraron hadrones con $z > 0.1$ y $P_T > 0.1 \text{ GeV/c}$ para asegurar una buena resolución en el ángulo azimutal $\phi_h$.
• Restricción de Fondo: Un avance metodológico crítico en este trabajo es un nuevo procedimiento para restar el fondo procedente de mesones vectoriales producidos difractivamente. Estos mesones decaen en pares de hadrones que pueblan las regiones de baja $Q^2$ y baja $P_T$, pero se extienden a través de todo el rango de $z$.
  • Se rechazaron explícitamente los eventos con un estado final que contenía únicamente $\mu' h^+ h^-$ y una suma combinada $z_{h^+} + z_{h^-} > 0.95$.
  • La contaminación restante de pares parcialmente reconstruidos se estimó utilizando el generador Monte Carlo (MC) HEPGEN, normalizado a los datos mediante la distribución de energía faltante de los pares reconstruidos, y se restó bin a bin en $\phi_h$.
• Enfoque de Análisis: Las amplitudes de modulación azimutal se extrajeron ajustando las distribuciones de $\phi_h$. El análisis se realizó de dos maneras:
  1. Enfoque 1D: Integrando sobre dos variables ($x, z, P_T$) para estudiar la variable restante.
  2. Enfoque 3D: Binnando simultáneamente en $x, z,$ y $P_T$.
  • Los resultados 1D se subdividieron además en cuatro rangos de $Q^2$.
  • Se encontró que los datos de los haces $\mu^+$ y $\mu^-$ eran compatibles y se fusionaron.
• Correcciones: Las correcciones de aceptación se determinaron utilizando el MC LEPTO. No se aplicaron correcciones radiativas QED en el momento de esta presentación, aunque se está trabajando utilizando el MC DJANGO. Las incertidumbres sistemáticas se estimaron como comparables en magnitud a las incertidumbres estadísticas.

Contribuciones Clave

1. Nueva Técnica de Restricción de Fondo: El artículo introduce y aplica un método refinado para aislar la señal SIDIS combinando el rechazo explícito de eventos con la restracción impulsada por MC del componente de desintegración de mesones vectoriales no visible.
2. Datos de Blanco Protón: Este trabajo presenta la primera extracción de estas asimetrías azimutales utilizando un blanco de hidrógeno líquido dentro de la colaboración COMPASS, complementando los resultados anteriores de blanco isoescalar.
3. Análisis de Dependencia en $Q^2$: El análisis investiga explícitamente la dependencia de las asimetrías en $Q^2$, una dimensión no explorada completamente en los análisis anteriores de blanco isoescalar.

Resultados

• Amplitud $\cos \phi_h$ ($A_{UU}^{\cos \phi_h}$):
  • Las amplitudes son claramente no nulas y muestran una diferencia entre hadrones positivos ($h^+$) y negativos ($h^-$), sugiriendo una posible dependencia de sabor del momento transversal intrínseco $\langle k_T^2 \rangle$.
  • Contrario a la expectativa de que el efecto Cahn (suprimido por $1/Q$) dominaría, se observó que las amplitudes aumentan con $Q^2$. Esta tendencia fue consistente a través de seis rangos de $x$ diferentes.
  • La diferencia entre $h^+$ y $h^-$ es más pronunciada que en los resultados anteriores de blanco isoescalar.
• Amplitud $\cos 2\phi_h$ ($A_{UU}^{\cos 2\phi_h}$):
  • Las amplitudes para $h^+$ son generalmente compatibles con cero.
  • Las amplitudes para $h^-$ son positivas.
  • No se observó dependencia visible en $Q^2$.
• Amplitud $\sin \phi_h$ ($A_{LU}^{\sin \phi_h}$):
  • Los resultados de la asimetría de espín del haz son positivos y compatibles tanto para $h^+$ como para $h^-$.

Significancia y Afirmaciones
Los autores declaran que los resultados presentados "coinciden cualitativamente con los resultados anteriores de COMPASS obtenidos con un blanco isoescalar". La significancia principal radica en la confirmación de estas asimetrías en un blanco protón y la observación de la dependencia en $Q^2$ en la amplitud $\cos \phi_h$. El artículo señala que el aumento observado de la amplitud con $Q^2$ es "contraintuitivo" dada la expectativa teórica para el efecto Cahn, pero aclara que una comparación directa con los datos de blanco isoescalar respecto a esta dependencia específica de $Q^2$ no es posible actualmente porque el análisis anterior no extrajo esta dependencia. El trabajo sirve como una validación cualitativa del marco TMD en el protón y destaca la necesidad de una restricción de fondo rigurosa para mediciones precisas.