Azimuthal Asymmetries in Unpolarised Semi-Inclusive DIS at COMPASS

Résumé Technique : Asymétries Azimutales en DIS Semi-Inclusif Non-Polarisé au COMPASS

Énoncé du Problème
Dans le cadre de la Chromodynamique Quantique (QCD), la structure interne du nucléon, en particulier concernant l'impulsion transversale, est décrite par les Fonctions de Distribution de Partons Dépendantes de l'Impulsion Transverse (TMD PDFs). Dans la Diffusion Inélastique Profonde Semi-Inclusive (SIDIS), l'impulsion transversale non nulle des partons induit une dépendance azimutale dans la section efficace. Pour un nucléon non polarisé, trois modulations azimutales spécifiques apparaissent, portant des informations sur les TMD PDFs et les fonctions de fragmentation (FF) :

1. Une modulation en $\cos \phi_h$ (l'effet Cahn), liée aux TMDs non polarisés ($f_1, D_1$).
2. Une modulation en $\cos 2\phi_h$, liée à la TMD PDF de Boer–Mulders ($h^\perp_1$) et à la FF de Collins ($H^\perp_1$).
3. Une modulation en $\sin \phi_h$ (asymétrie de spin du faisceau), liée aux fonctions de twist trois ($e, g^\perp$).

Bien que les mesures précédentes du COMPASS utilisant une cible isoscalaire ($^6$LiD) aient fourni des données sur ces asymétries, une nouvelle analyse était requise en utilisant une cible d'hydrogène liquide (proton) pour explorer la dépendance en saveur et affiner la compréhension de la structure du nucléon. Un défi majeur dans cette analyse est la contamination provenant des hadrons issus de la désintégration de mésons vectoriels produits exclusivement (par exemple, $\rho^0 \to \pi^+\pi^-$, $\phi \to K^+K^-$), qui présentent de grandes modulations azimutales et doivent être soustraits pour isoler le véritable signal SIDIS.

Méthodologie
L'analyse utilise les données collectées par l'expérience COMPASS au CERN durant les années 2016 et 2017. L'expérience a employé un faisceau de muons polarisés longitudinalement de 160 GeV/c ($\mu^+$ et $\mu^-$) se diffusant sur une cible d'hydrogène liquide. La polarisation du faisceau était d'environ $\lambda_{\mu^-} \approx 0.8$ et $\lambda_{\mu^+} \approx -0.8$.

• Sélection des Événements : Les événements SIDIS ont été sélectionnés sur la base de coupes cinématiques : $Q^2 > 1 \text{ (GeV/c)}^2$, $W > 5 \text{ GeV/c}^2$, $x < 0.13$, $0.2 < y < 0.9$, et un angle polaire du photon virtuel $\theta_{\gamma^*} < 60 \text{ mrad}$. Seuls les hadrons avec $z > 0.1$ et $P_T > 0.1 \text{ GeV/c}$ ont été considérés pour assurer une bonne résolution dans l'angle azimutal $\phi_h$.
• Soustraction du Fond : Une avancée méthodologique critique dans ce travail est une nouvelle procédure pour soustraire le fond provenant des mésons vectoriels produits de manière diffractive. Ces mésons se désintègrent en paires d'hadrons qui peuplent les régions de faible $Q^2$ et de faible $P_T$ mais s'étendent sur toute la plage de $z$.
  • Les événements avec un état final contenant uniquement $\mu' h^+ h^-$ et une somme $z_{h^+} + z_{h^-} > 0.95$ ont été explicitement rejetés.
  • La contamination restante provenant de paires partiellement reconstruites a été estimée en utilisant le générateur Monte Carlo (MC) HEPGEN, normalisée aux données via la distribution de l'énergie manquante des paires reconstruites, et soustraite événement par événement en $\phi_h$.
• Approche d'Analyse : Les amplitudes de modulation azimutale ont été extraites en ajustant les distributions $\phi_h$. L'analyse a été réalisée de deux manières :
  1. Approche 1D : Intégration sur deux variables ($x, z, P_T$) pour étudier la variable restante.
  2. Approche 3D : Binning simultané en $x, z,$ et $P_T$.
  • Les résultats 1D ont été davantage subdivisés en quatre plages de $Q^2$.
  • Les données des faisceaux $\mu^+$ et $\mu^-$ se sont révélées compatibles et ont été fusionnées.
• Corrections : Les corrections d'acceptation ont été déterminées en utilisant le MC LEPTO. Aucune correction radiative QED n'a été appliquée au moment de cette présentation, bien que des travaux utilisant le MC DJANGO soient en cours. Les incertitudes systématiques ont été estimées comme étant comparables en magnitude aux incertitudes statistiques.

Contributions Clés

1. Nouvelle Technique de Soustraction du Fond : L'article introduit et applique une méthode affinée pour isoler le signal SIDIS en combinant un rejet explicite d'événements avec une soustraction pilotée par MC de la composante de désintégration des mésons vectoriels non visibles.
2. Données sur Cible Proton : Ce travail présente la première extraction de ces asymétries azimutales utilisant une cible d'hydrogène liquide au sein de la collaboration COMPASS, complétant les résultats précédents obtenus avec une cible isoscalaire.
3. Analyse de la Dépendance en $Q^2$ : L'analyse examine explicitement la dépendance des asymétries vis-à-vis de $Q^2$, une dimension qui n'avait pas été pleinement explorée dans les analyses précédentes sur cible isoscalaire.

Résultats

• Amplitude $\cos \phi_h$ ($A_{UU}^{\cos \phi_h}$) :
  • Les amplitudes sont clairement non nulles et montrent une différence entre les hadrons positifs ($h^+$) et négatifs ($h^-$), suggérant une dépendance potentielle en saveur de l'impulsion transversale intrinsèque $\langle k_T^2 \rangle$.
  • Contrairement à l'attente selon laquelle l'effet Cahn (supprimé par $1/Q$) dominerait, les amplitudes ont été observées augmenter avec $Q^2$. Cette tendance était cohérente à travers six plages de $x$ différentes.
  • La différence entre $h^+$ et $h^-$ est plus prononcée que dans les résultats précédents sur cible isoscalaire.
• Amplitude $\cos 2\phi_h$ ($A_{UU}^{\cos 2\phi_h}$) :
  • Les amplitudes pour $h^+$ sont généralement compatibles avec zéro.
  • Les amplitudes pour $h^-$ sont positives.
  • Aucune dépendance visible en $Q^2$ n'a été observée.
• Amplitude $\sin \phi_h$ ($A_{LU}^{\sin \phi_h}$) :
  • Les résultats d'asymétrie de spin du faisceau sont positifs et compatibles pour $h^+$ et $h^-$.

Signification et Revendications
Les auteurs déclarent que les résultats présentés « s'accordent qualitativement avec les résultats antérieurs du COMPASS obtenus avec une cible isoscalaire ». La signification principale réside dans la confirmation de ces asymétries sur une cible proton et l'observation de la dépendance en $Q^2$ de l'amplitude $\cos \phi_h$. L'article note que l'augmentation observée de l'amplitude avec $Q^2$ est « contre-intuitive » étant donné l'attente théorique pour l'effet Cahn, mais précise qu'une comparaison directe avec les données de cible isoscalaire concernant cette dépendance spécifique en $Q^2$ n'est actuellement pas possible car l'analyse précédente n'avait pas extrait cette dépendance. Ce travail sert de validation qualitative du cadre TMD sur le proton et souligne la nécessité d'une soustraction rigoureuse du fond pour des mesures précises.