Azimuthal Asymmetries in Unpolarised Semi-Inclusive DIS at COMPASS

Resumo Técnico: Assimetrias Azimutais em DIS Semi-Inclusivo Não Polarizado no COMPASS

Declaração do Problema
No quadro da Cromodinâmica Quântica (QCD), a estrutura interna do nucleão, particularmente no que diz respeito ao momento transversal, é descrita por Funções de Distribuição de Partons Dependentes do Momento Transversal (TMD PDFs). Na Dispersão Inelástica Profunda Semi-Inclusiva (SIDIS), o momento transversal não nulo dos partons induz dependência azimutal na seção de choque. Para um nucleão não polarizado, surgem três modulações azimutais específicas, carregando informações sobre as TMD PDFs e as funções de fragmentação (FFs):

1. Uma modulação $\cos \phi_h$ (o efeito Cahn), relacionada às TMDs não polarizadas ($f_1, D_1$).
2. Uma modulação $\cos 2\phi_h$, relacionada à TMD PDF de Boer–Mulders ($h^\perp_1$) e à FF de Collins ($H^\perp_1$).
3. Uma modulação $\sin \phi_h$ (assimetria de spin do feixe), relacionada a funções de twist-três ($e, g^\perp$).

Embora medições anteriores do COMPASS utilizando um alvo isoscalar ($^6$LiD) fornecessem dados sobre essas assimetrias, uma nova análise foi necessária utilizando um alvo de hidrogênio líquido (próton) para explorar a dependência de sabor e refinar a compreensão da estrutura do nucleão. Um desafio significativo nesta análise é a contaminação proveniente de hádrons originados do decaimento de mésons vetoriais produzidos exclusivamente (por exemplo, $\rho^0 \to \pi^+\pi^-$, $\phi \to K^+K^-$), que exibem grandes modulações azimutais e devem ser subtraídos para isolar o verdadeiro sinal SIDIS.

Metodologia
A análise utiliza dados coletados pelo experimento COMPASS no CERN durante 2016 e 2017. O experimento empregou um feixe de múons de 160 GeV/c longitudinalmente polarizado ($\mu^+$ e $\mu^-$) espalhando-se sobre um alvo de hidrogênio líquido. A polarização do feixe foi de aproximadamente $\lambda_{\mu^-} \approx 0.8$ e $\lambda_{\mu^+} \approx -0.8$.

• Seleção de Eventos: Eventos SIDIS foram selecionados com base em cortes cinemáticos: $Q^2 > 1 \text{ (GeV/c)}^2$, $W > 5 \text{ GeV/c}^2$, $x < 0.13$, $0.2 < y < 0.9$, e um ângulo polar do fóton virtual $\theta_{\gamma^*} < 60 \text{ mrad}$. Apenas hádrons com $z > 0.1$ e $P_T > 0.1 \text{ GeV/c}$ foram considerados para garantir boa resolução no ângulo azimutal $\phi_h$.
• Subtração de Fundo: Um avanço metodológico crítico neste trabalho é um novo procedimento para subtrair o fundo de mésons vetoriais produzidos difrativamente. Esses mésons decaem em pares de hádrons que povoam as regiões de baixo $Q^2$ e baixo $P_T$, mas se estendem por toda a faixa de $z$.
  • Eventos com um estado final contendo apenas $\mu' h^+ h^-$ e uma soma combinada $z_{h^+} + z_{h^-} > 0.95$ foram explicitamente rejeitados.
  • A contaminação restante de pares parcialmente reconstruídos foi estimada usando o gerador Monte Carlo (MC) HEPGEN, normalizada aos dados através da distribuição de energia faltante de pares reconstruídos, e subtraída bin a bin em $\phi_h$.
• Abordagem de Análise: As amplitudes de modulação azimutal foram extraídas ajustando as distribuições de $\phi_h$. A análise foi realizada de duas maneiras:
  1. Abordagem 1D: Integrando sobre duas variáveis ($x, z, P_T$) para estudar a variável restante.
  2. Abordagem 3D: Agrupando simultaneamente em $x, z,$ e $P_T$.
  • Os resultados 1D foram subdivididos em quatro faixas de $Q^2$.
  • Dados dos feixes $\mu^+$ e $\mu^-$ foram encontrados compatíveis e fundidos.
• Correções: Correções de aceitação foram determinadas usando o MC LEPTO. Nenhuma correção radiativa QED foi aplicada no momento desta apresentação, embora trabalhos usando o MC DJANGO estejam em andamento. As incertezas sistemáticas foram estimadas como comparáveis em magnitude às incertezas estatísticas.

Contribuições Principais

1. Nova Técnica de Subtração de Fundo: O artigo introduz e aplica um método refinado para isolar o sinal SIDIS combinando rejeição explícita de eventos com subtração orientada por MC do componente não visível de decaimento de mésons vetoriais.
2. Dados de Alvo de Próton: Este trabalho apresenta a primeira extração dessas assimetrias azimutais usando um alvo de hidrogênio líquido dentro da colaboração COMPASS, complementando resultados anteriores de alvo isoscalar.
3. Análise de Dependência em $Q^2$: A análise investiga explicitamente a dependência das assimetrias em $Q^2$, uma dimensão não totalmente explorada em análises anteriores de alvo isoscalar.

Resultados

• Amplitude $\cos \phi_h$ ($A_{UU}^{\cos \phi_h}$):
  • As amplitudes são claramente não nulas e mostram uma diferença entre hádrons positivos ($h^+$) e negativos ($h^-$), sugerindo uma possível dependência de sabor do momento transversal intrínseco $\langle k_T^2 \rangle$.
  • Contrariamente à expectativa de que o efeito Cahn (suprimido por $1/Q$) dominaria, as amplitudes foram observadas aumentando com $Q^2$. Essa tendência foi consistente em seis faixas diferentes de $x$.
  • A diferença entre $h^+$ e $h^-$ é mais pronunciada do que nos resultados anteriores de alvo isoscalar.
• Amplitude $\cos 2\phi_h$ ($A_{UU}^{\cos 2\phi_h}$):
  • As amplitudes para $h^+$ são geralmente compatíveis com zero.
  • As amplitudes para $h^-$ são positivas.
  • Nenhuma dependência visível em $Q^2$ foi observada.
• Amplitude $\sin \phi_h$ ($A_{LU}^{\sin \phi_h}$):
  • Os resultados da assimetria de spin do feixe são positivos e compatíveis para ambos $h^+$ e $h^-$.

Significado e Alegações
Os autores afirmam que os resultados apresentados "concordam qualitativamente com resultados anteriores do COMPASS obtidos com um alvo isoscalar". O significado principal reside na confirmação dessas assimetrias em um alvo de próton e na observação da dependência em $Q^2$ na amplitude $\cos \phi_h$. O artigo nota que o aumento observado da amplitude com $Q^2$ é "contra-intuitivo" dada a expectativa teórica para o efeito Cahn, mas esclarece que uma comparação direta com dados de alvo isoscalar regarding essa dependência específica de $Q^2$ não é atualmente possível porque a análise anterior não extraiu essa dependência. O trabalho serve como uma validação qualitativa do quadro TMD no próton e destaca a necessidade de subtração rigorosa de fundo para medições precisas.