Azimuthal Asymmetries in Unpolarised Semi-Inclusive DIS at COMPASS

Riepilogo Tecnico: Asimmetrie Azimutali nel DIS Semi-Inclusivo Non Polarizzato a COMPASS

Enunciato del Problema
Nel quadro della Cromodinamica Quantistica (QCD), la struttura interna del nucleone, in particolare per quanto riguarda la quantità di moto trasversa, è descritta dalle Funzioni di Distribuzione dei Partoni Dipendenti dalla Quantità di Moto Trasversa (TMD PDF). Nel DIS Semi-Inclusivo (SIDIS), la quantità di moto trasversa non nulla dei partoni induce una dipendenza azimutale nella sezione d'urto. Per un nucleone non polarizzato, sorgono tre specifiche modulazioni azimutali, che portano informazioni sulle TMD PDF e sulle funzioni di frammentazione (FF):

1. Una modulazione $\cos \phi_h$ (effetto Cahn), correlata alle TMD non polarizzate ($f_1, D_1$).
2. Una modulazione $\cos 2\phi_h$, correlata alla TMD PDF di Boer–Mulders ($h^\perp_1$) e alla FF di Collins ($H^\perp_1$).
3. Una modulazione $\sin \phi_h$ (asimmetria di spin del fascio), correlata a funzioni di twist tre ($e, g^\perp$).

Sebbene le precedenti misurazioni di COMPASS utilizzando un bersaglio isoscalare ($^6$LiD) avessero fornito dati su queste asimmetrie, era necessaria una nuova analisi utilizzando un bersaglio di idrogeno liquido (protone) per esplorare la dipendenza dal sapore e affinare la comprensione della struttura del nucleone. Una sfida significativa in questa analisi è la contaminazione proveniente da adroni originati dal decadimento di mesoni vettoriali prodotti esclusivamente (ad es. $\rho^0 \to \pi^+\pi^-$, $\phi \to K^+K^-$), che esibiscono grandi modulazioni azimutali e devono essere sottratti per isolare il vero segnale SIDIS.

Metodologia
L'analisi utilizza i dati raccolti dall'esperimento COMPASS al CERN durante il 2016 e il 2017. L'esperimento ha impiegato un fascio di muoni polarizzati longitudinalmente da 160 GeV/c ($\mu^+$ e $\mu^-$) che si disperdevano su un bersaglio di idrogeno liquido. La polarizzazione del fascio era approssimativamente $\lambda_{\mu^-} \approx 0.8$ e $\lambda_{\mu^+} \approx -0.8$.

• Selezione degli Eventi: Gli eventi SIDIS sono stati selezionati in base a tagli cinematici: $Q^2 > 1 \text{ (GeV/c)}^2$, $W > 5 \text{ GeV/c}^2$, $x < 0.13$, $0.2 < y < 0.9$ e un angolo polare del fotone virtuale $\theta_{\gamma^*} < 60 \text{ mrad}$. Sono stati considerati solo adroni con $z > 0.1$ e $P_T > 0.1 \text{ GeV/c}$ per garantire una buona risoluzione nell'angolo azimutale $\phi_h$.
• Sottrazione del Fondo: Un avanzamento metodologico critico in questo lavoro è una nuova procedura per sottrarre il fondo proveniente da mesoni vettoriali prodotti diffrattivamente. Questi mesoni decadono in coppie di adroni che popolano le regioni a basso $Q^2$ e basso $P_T$, ma si estendono su tutto l'intervallo di $z$.
  • Gli eventi con uno stato finale contenente solo $\mu' h^+ h^-$ e una somma combinata $z_{h^+} + z_{h^-} > 0.95$ sono stati esplicitamente rifiutati.
  • La contaminazione residua da coppie parzialmente ricostruite è stata stimata utilizzando il generatore Monte Carlo (MC) HEPGEN, normalizzata ai dati tramite la distribuzione dell'energia mancante delle coppie ricostruite e sottratta bin per bin in $\phi_h$.
• Approccio di Analisi: Le ampiezze delle modulazioni azimutali sono state estratte adattando le distribuzioni di $\phi_h$. L'analisi è stata eseguita in due modi:
  1. Approccio 1D: Integrazione su due variabili ($x, z, P_T$) per studiare la variabile rimanente.
  2. Approccio 3D: Binning simultaneo in $x, z,$ e $P_T$.
  • I risultati 1D sono stati ulteriormente suddivisi in quattro intervalli di $Q^2$.
  • I dati dai fasci $\mu^+$ e $\mu^-$ sono risultati compatibili e sono stati fusi.
• Correzioni: Le correzioni di accettazione sono state determinate utilizzando il MC LEPTO. Al momento di questa presentazione non sono state applicate correzioni radiative QED, sebbene sia in corso un lavoro utilizzando il MC DJANGO. Le incertezze sistematiche sono state stimate come comparabili in grandezza alle incertezze statistiche.

Contributi Chiave

1. Nuova Tecnica di Sottrazione del Fondo: Il documento introduce e applica un metodo raffinato per isolare il segnale SIDIS combinando il rifiuto esplicito degli eventi con la sottrazione guidata dal MC della componente non visibile del decadimento del mesone vettoriale.
2. Dati su Bersaglio di Protone: Questo lavoro presenta la prima estrazione di queste asimmetrie azimutali utilizzando un bersaglio di idrogeno liquido all'interno della collaborazione COMPASS, completando i risultati precedenti ottenuti con bersaglio isoscalare.
3. Analisi della Dipendenza da $Q^2$: L'analisi investiga esplicitamente la dipendenza delle asimmetrie da $Q^2$, una dimensione non completamente esplorata nelle precedenti analisi con bersaglio isoscalare.

Risultati

• Ampiezza $\cos \phi_h$ ($A_{UU}^{\cos \phi_h}$):
  • Le ampiezze sono chiaramente non nulle e mostrano una differenza tra adroni positivi ($h^+$) e negativi ($h^-$), suggerendo una potenziale dipendenza dal sapore della quantità di moto trasversa intrinseca $\langle k_T^2 \rangle$.
  • Contrariamente all'aspettativa che l'effetto Cahn (soppresso da $1/Q$) dominasse, le ampiezze sono state osservate aumentare con $Q^2$. Questa tendenza è stata coerente attraverso sei diversi intervalli di $x$.
  • La differenza tra $h^+$ e $h^-$ è più pronunciata rispetto ai precedenti risultati con bersaglio isoscalare.
• Ampiezza $\cos 2\phi_h$ ($A_{UU}^{\cos 2\phi_h}$):
  • Le ampiezze per $h^+$ sono generalmente compatibili con zero.
  • Le ampiezze per $h^-$ sono positive.
  • Non è stata osservata alcuna dipendenza visibile da $Q^2$.
• Ampiezza $\sin \phi_h$ ($A_{LU}^{\sin \phi_h}$):
  • I risultati sull'asimmetria di spin del fascio sono positivi e compatibili sia per $h^+$ che per $h^-$.

Significato e Affermazioni
Gli autori affermano che i risultati presentati "sono in accordo qualitativo con i precedenti risultati COMPASS ottenuti con un bersaglio isoscalare". Il significato principale risiede nella conferma di queste asimmetrie su un bersaglio di protone e nell'osservazione della dipendenza da $Q^2$ nell'ampiezza $\cos \phi_h$. Il documento nota che l'aumento osservato dell'ampiezza con $Q^2$ è "controintuitivo" data l'aspettativa teorica per l'effetto Cahn, ma chiarisce che un confronto diretto con i dati del bersaglio isoscalare riguardo a questa specifica dipendenza da $Q^2$ non è attualmente possibile perché l'analisi precedente non ha estratto tale dipendenza. Il lavoro funge da validazione qualitativa del quadro TMD sul protone e sottolinea la necessità di una rigorosa sottrazione del fondo per misurazioni precise.