Azimuthal Asymmetries in Unpolarised Semi-Inclusive DIS at COMPASS

Technische Samenvatting: Azimutale Asymmetrieën in Gepolariseerde Semi-Inclusieve DIS bij COMPASS

Probleemstelling
In het kader van de Quantum Chromodynamica (QCD) wordt de interne structuur van de nucleon, met name wat betreft transversale impuls, beschreven door Transversale Impuls Afhankelijke Deeltjesverdelingsfuncties (TMD PDF's). Bij Semi-Inclusieve Diep Inelastische Verspreiding (SIDIS) induceert de niet-nul transversale impuls van deeltjes een azimutale afhankelijkheid in het werkzame oppervlak. Voor een ongepolariseerde nucleon ontstaan drie specifieke azimutale modulaties, die informatie dragen over TMD PDF's en fragmentatiefuncties (FF's):

1. Een $\cos \phi_h$ modulatie (het Cahn-effect), gerelateerd aan ongepolariseerde TMD's ($f_1, D_1$).
2. Een $\cos 2\phi_h$ modulatie, gerelateerd aan de Boer–Mulders TMD PDF ($h^\perp_1$) en de Collins FF ($H^\perp_1$).
3. Een $\sin \phi_h$ modulatie (bundel-spin asymmetrie), gerelateerd aan twist-drie functies ($e, g^\perp$).

Hoewel eerdere COMPASS-metingen met een isoscalar ($^6$LiD) doelwit gegevens over deze asymmetrieën leverden, was een nieuwe analyse vereist met een vloeibaar waterstof (proton) doelwit om de smaakafhankelijkheid te verkennen en het begrip van de nucleonstructuur te verfijnen. Een aanzienlijke uitdaging in deze analyse is de vervuiling door hadronen afkomstig van het verval van exclusief geproduceerde vectormesonen (bijv. $\rho^0 \to \pi^+\pi^-$, $\phi \to K^+K^-$), die grote azimutale modulaties vertonen en moeten worden afgetrokken om het ware SIDIS-signaal te isoleren.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van gegevens verzameld door het COMPASS-experiment bij CERN tijdens 2016 en 2017. Het experiment gebruikte een longitudinaal gepolariseerde 160 GeV/c muonbundel ($\mu^+$ en $\mu^-$) die verstrooide op een vloeibaar waterstofdoelwit. De bundelpolarisatie was ongeveer $\lambda_{\mu^-} \approx 0.8$ en $\lambda_{\mu^+} \approx -0.8$.

• Eventselectie: SIDIS-events werden geselecteerd op basis van kinematische cuts: $Q^2 > 1 \text{ (GeV/c)}^2$, $W > 5 \text{ GeV/c}^2$, $x < 0.13$, $0.2 < y < 0.9$, en een virtueel foton polaire hoek $\theta_{\gamma^*} < 60 \text{ mrad}$. Alleen hadronen met $z > 0.1$ en $P_T > 0.1 \text{ GeV/c}$ werden beschouwd om een goede resolutie in de azimutale hoek $\phi_h$ te waarborgen.
• Aftrek van Achtergrond: Een kritieke methodologische vooruitgang in dit werk is een nieuwe procedure om achtergrond van diffractief geproduceerde vectormesonen af te trekken. Deze mesonen vervallen in hadronparen die de gebieden met lage $Q^2$ en lage $P_T$ bevolken, maar zich uitstrekken over het volledige $z$-bereik.
  • Events met een eindtoestand die uitsluitend $\mu' h^+ h^-$ bevatte en een gecombineerde $z_{h^+} + z_{h^-} > 0.95$, werden expliciet afgewezen.
  • De resterende vervuiling door gedeeltelijk gereconstrueerde paren werd geschat met de HEPGEN Monte Carlo (MC) generator, genormaliseerd aan data via de ontbrekende-energiedistributie van gereconstrueerde paren, en per bin in $\phi_h$ afgetrokken.
• Analysebenadering: De amplitudes van de azimutale modulaties werden geëxtraheerd door de $\phi_h$-distributies te fitten. De analyse werd op twee manieren uitgevoerd:
  1. 1D-benadering: Integreren over twee variabelen ($x, z, P_T$) om de overgebleven variabele te bestuderen.
  2. 3D-benadering: Gelijktijdig binning in $x, z,$ en $P_T$.
  • De 1D-resultaten werden verder onderverdeeld in vier $Q^2$-bereiken.
  • Data van $\mu^+$- en $\mu^-$-bundels bleken compatibel en werden samengevoegd.
• Correcties: Acceptatiecorrecties werden bepaald met de LEPTO MC. Er werden op het moment van deze presentatie geen QED-stralingscorrecties toegepast, hoewel werk met de DJANGO MC gaande is. Systematische onzekerheden werden geschat als vergelijkbaar in grootte met statistische onzekerheden.

Belangrijkste Bijdragen

1. Nieuwe Techniek voor Aftrek van Achtergrond: Het artikel introduceert en past een verfijnde methode toe om het SIDIS-signaal te isoleren door expliciete eventverwijdering te combineren met MC-gestuurde aftrek van het niet-zichtbare vervalcomponent van vectormesonen.
2. Data van Protondoelwit: Dit werk presenteert de eerste extractie van deze azimutale asymmetrieën met een vloeibaar waterstofdoelwit binnen de COMPASS-samenwerking, wat de eerdere resultaten met isoscalare doelwitten aanvult.
3. Analyse van $Q^2$-Afhankelijkheid: De analyse onderzoekt expliciet de afhankelijkheid van de asymmetrieën van $Q^2$, een dimensie die in eerdere analyses met isoscalare doelwitten niet volledig werd verkend.

Resultaten

• $\cos \phi_h$ Amplitude ($A_{UU}^{\cos \phi_h}$):
  • De amplitudes zijn duidelijk niet-nul en tonen een verschil tussen positieve ($h^+$) en negatieve ($h^-$) hadronen, wat wijst op een potentiële smaakafhankelijkheid van de intrinsieke transversale impuls $\langle k_T^2 \rangle$.
  • In tegenstelling tot de verwachting dat het Cahn-effect (onderdrukt door $1/Q$) zou domineren, werd waargenomen dat de amplitudes toenemen met $Q^2$. Deze trend was consistent over zes verschillende $x$-bereiken.
  • Het verschil tussen $h^+$ en $h^-$ is duidelijker dan in eerdere resultaten met isoscalare doelwitten.
• $\cos 2\phi_h$ Amplitude ($A_{UU}^{\cos 2\phi_h}$):
  • Amplitudes voor $h^+$ zijn over het algemeen compatibel met nul.
  • Amplitudes voor $h^-$ zijn positief.
  • Er werd geen zichtbare afhankelijkheid van $Q^2$ waargenomen.
• $\sin \phi_h$ Amplitude ($A_{LU}^{\sin \phi_h}$):
  • De resultaten voor de bundel-spin asymmetrie zijn positief en compatibel voor zowel $h^+$ als $h^-$.

Betekenis en Beweringen
De auteurs stellen dat de gepresenteerde resultaten "kwalitatief overeenkomen met eerdere COMPASS-resultaten verkregen met een isoscalar doelwit". De primaire betekenis ligt in de bevestiging van deze asymmetrieën op een protondoelwit en de waarneming van de $Q^2$-afhankelijkheid in de $\cos \phi_h$-amplitude. Het artikel merkt op dat de waargenomen toename van de amplitude met $Q^2$ "tegenintuïtief" is gezien de theoretische verwachting voor het Cahn-effect, maar verduidelijkt dat een directe vergelijking met data van isoscalare doelwitten met betrekking tot deze specifieke $Q^2$-afhankelijkheid momenteel niet mogelijk is, omdat de eerdere analyse deze afhankelijkheid niet heeft geëxtraheerd. Het werk dient als een kwalitatieve validatie van het TMD-kader op de proton en benadrukt de noodzaak van rigoureuze aftrek van achtergrond voor nauwkeurige metingen.