RHIC-spin の最新結果

＠ KEK 研究会『核子構造研究の新展開 2009 』2009 年 1 月 10 日

谷田 聖 ( 京都大学 )

RHIC spin から見る核子構造

＠ KEK 研究会『核子の構造関数 2007 』2007 年 1 月 12 日

谷田 聖 ( 京都大学 )

2 年前・・・

何が変わった？

Year s [GeV] Recorded L Pol [%] FOM (P4L)

2003 (Run 3) 200 .35 pb-1 27 1.5 nb-1

2004 (Run 4) 200 .12 pb-1 40 3.3 nb-1

2005 (Run 5) 200 3.4 pb-1 46 0.15 pb-1

2006 (Run 6) 200 7.5 pb-1 62 1.1 pb-1

2006 (Run 6) 62.4 .08 pb-1 ** 48 4.2 nb-1 **

** initial estimate

Recorded Luminosity@PHENIX – longitudinal run

Year s [GeV] Recorded L Pol [%] FOM (P4L)

2003 (Run 3) 200 .35 pb-1 27 1.5 nb-1

2004 (Run 4) 200 .12 pb-1 40 3.3 nb-1

2005 (Run 5) 200 3.4 pb-1 49 0.2 pb-1

2006 (Run 6) 200 7.5 pb-1 57 0.79 pb-1

2006 (Run 6) 62.4 .08 pb-1 48 4.2 nb-1

あれっ？• 2007 年は Au-Au のみ。偏極陽子の Run はなし。• 2008 年は５（実質４）週間のみ

Year s [GeV] L [pb-1] Pol [%]

FOM (P2L)

2001 200 .15 pb-1 15 0.0034

2005 200 .16 pb-1 47 0.038

2006 200 2.7 pb-1 51* 0.7

2006 62.4 .02 pb-1 48 0.0046

2008 200 5.2 pb-1 46 1.1

Recorded Luminosity@PHENIX – transverse run

* 水平方向偏極

RHIC spin って？• 「陽子のスピンはどこから来るの？」という質問

に答えるための実験の１つ。– 陽子＝クォーク３つ？？

• 背景：陽子中のクォークの偏極を測る実験　→　レプトン Deep Inelastic Scattering

レプトン DIS の結果• クォークのスピンは陽子のスピンの 20 － 30 ％ぐ

らいしか担っていない→ spin crisis

• では、残りは何？– グルーオン？– クォークが軌道角運動量を持っている？

LG 2

1

2

1

RHIC spin 実験

DIS では（なかなか）わからないこと

• Photon を媒介 → 直接見ているのは電荷だけ– u : d : s : g = 4 : 1 : 1 : 0– 特にグルーオンは見えない

( Q2 evolution, photon-gluon fusion)

• gluon を直接見る→ハドロン同士の衝突が必要

　　　　　　陽子・陽子コライダーへ

グルーオン偏極測定の原理

• 偏極陽子衝突で ALL を測る。

= (parton pol.)2× (aLL in parton reaction)

)()(

)()(

LLA

グルーオン偏極測定の原理• Parton level の代表的な 3 プロセス（ LO ）

• 実際にはパートン fragmented hadron を観測– channel ごとに違う割合で混ざる– パートンの情報（ Bjorken x など）は obscure される

qqqqgggg

G

G

G

G

gqgq

G

G

q

q

q

q

q

q

測定チャンネルの例• Direct photon: g + q + q

– フラグメンテーションの影響を受けない。– 他のプロセス (e.g.qq ) の混入が少ない

　　 golden channel• Jet, high-pT ハドロン生成

– 3 つのプロセスが全て混ざる– 全て LO なので、統計が一番多い。

　　　 比較的少ない Luminosity で情報が得られる。

• 重いクォーク（チャーム、ボトム）– RHIC では gg→qq がメイン

• W ： quark の flavor 分解– 例えば　 W+ なら du

The Relativistic Heavy Ion Collideraccelerator complex

at Brookhaven National Laboratory

PHENIXSTAR

Brhamspp2pp

RHIC p+p accelerator complex

BRAHMS & PP2PP

STARPHENIX

AGS

LINACBOOSTER

Pol. Proton Source

Spin Rotators

20% Snake

Siberian Snakes

200 MeV polarimeter Rf Dipoles

RHIC pC “CNI” polarimeters

PHOBOS

RHIC

absolute pHpolarimeter

SiberianSnakes

AGS pC “CNI” polarimeter

5% Snake

The polarimeters are experimental devices

Coulomb-Nuclear Interference

0

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Weeks into run

Nuc

leon

pai

r lu

min

osity

L

NN

[pb

-1]

2003P=34%

2005P=46%

2006P=60%

2008P=45%

RHIC performance の変遷

2006, P=60%

2008, P=45%

2005, P=46%

2003, P=34%

Delivered luminosity at s = 200 GeV

PHENIX 実験

Pioneering High Energy Nuclear Interaction EXperiment

The PHENIX Detector• Philosophy

– 高分解能・高レート。ただし Acceptance は小さい。

– 高い PID 能力• Central Arms

– || < 0.35, ~ – , , e, +-, ... – Identified– 運動量、エネルギー測定

• Muon Arms– 1.2 < || < 2.4– 運動量測定

• 小さな systematics– relative luminosity ~ 10-4

The

Collaboration

STARSTAR

Solenoid Tracker At RHIC

STAR Detector

2005 run

0.5 T Solenoid

Central Tracking

Triggering & Luminosity

Monitor

ALL 測定Run6: arXiv:0810.0694

PHENIX

central arm (y~0)

Jet ALL(y~0) STARSTAR

さて、 G は？• 欲しいもの： g(x)• データ点はいろいろな x のクォーク、グルーオンが

重なったもの　 Deconvolution が必要。• （今のところ）実用的な解析は、

– g(x) の関数系を仮定 例： g(x)=Cg(x)x(1-x)

– 実験データ（ DIS を含む）をフィットして、最適なパラメータを探す

• 例 1 ： GRSV （ M. Gluck et al., PRD 63 (2001) 094005. ）

– G を仮定して、それ以外のパラメータは DIS を使って決める

– G によっていくつかのバージョン（ GRSV-std, max, min, ... ）

• 例２： AAC （平井氏のトーク）

GRSV の範囲内では

*Theoretical uncertainties not included

違う仮定では？

0.02 < x < 0.3 の範囲でのG には強い制限

最近の Global Analysis の例

de Florian et al., PRL101 (2008) 072001

Neutral pion at STAR

STARSTAR

-0.95 < < 0.95 1.0 < < 2.0

Charged pion

STARSTAR

unidentified h+- at 62.4 GeV

14% polarization uncertainty not included

direct photons

J/

J/

AN 測定• AN ： transverse 偏極に対しての左右非対称性

• 1 回の測定で、前方・後方の両方を測れる

π0, xF<0 π0, xF>0

Left

Right

p p

これまでは・・・• ナイーブな pQCD では AN ~ mq/sqrt(s) ~ 0

でも、大きな AN が観測されている → なぜ？

いくつかのメカニズムが提案 - Sivers メカニズム - Collins メカニズム - Twist 3 メカニズム - ...

STARSTAR

arXiv:0801.2990(Accepted by PRL)

Collins メカニズム : Transversity (quark 偏極 ) × jet fragmentation の非対称性

Sivers メカニズム : 核子スピンとパートンのkT 間の相関

SP

p

p

Sq kT,π

AN が出てくるメカニズム（例）

SP

kT,qp

p

Sq

Phys Rev D41 (1990) 83; 43 (1991) 261Nucl Phys B396 (1993) 161

グルーオンによる効果：有グルーオンによる効果：無

AN at √s = 62.4 GeV

PRL101, 042001 (2008)

0

傾傾傾傾傾傾傾傾傾傾傾傾傾

AN at √s = 200 GeV

BRAHMS Preliminary

0 AN との比較

STARSTAR

やはり pT の単調減少関数ではない！

charged と同じく、単純な傾向を示さない

AN － Di-jet• Di-jet 測定 → kT の左右非対称性• fragmentation がないので、 Collins

effect は効かない → Sivers effect に敏感(Boer & Vogelsang PRD 69 (2004) 094025 )

• STAR による測定STAR EMC coverage

Blue(+z) Yellow(-z)

proton Proton

-1 +2

前後非対称なアクセプタンス

AN － Di-jet

Parity-violating top-bottomasymmetry

Null Tests

STARSTAR

several x 10 の精度で 0 と consistent

(blue)5<pT<10 GeV/c

Emphasizes (80%+) gluon Sivers

Emphasizes (50%+ ) quark Sivers

AN － Di-jet （ 2 年前のスライド）

STARSTAR

HERMES のデータをもとにした quark Sivers effect の予想と大きく合わない！→ 謎。 Sivers メカニズムによる説明に疑問

New CalculationBomhof, Mulders, Vogelsang, Yuan: PRD75, 074019 (2007)

Initial- and final-state cancellations in p+p jet+jet found to reduce expected dijet asymmetry at RHIC.

Prediction for dijet AN if Sivers contributions were same as for Drell-Yan (ISI)

Prediction for dijet AN if Sivers contributions were same as for SIDIS (FSI)

40

IFF and Collins FF

Collins fragmentation function 1H

Interference fragmentation function

1 ( , )H z M

h1

h1

h2

quark

h2

quark

_Quark spin

J. Collins, S.Heppelmann, G. Ladinsky, Nuclear Physics B, 420 (1994) 565

h

quark

h

quark

_

(courtesy A. Bacchetta)

J. C. Collins, Nucl. Phys. B396, (1993) 161

□1HqAUT

1HqAUT

FF measurements are ongoing at KEK-BELLE

Asymmetry result

41

Still need more data...

予定• 2009 年は 2 月から Run9 がスタート

– pp のデータを取得– 最初は 500GeV 、その後 200GeV にシフト– 6 月までの実験を予定。 4 月までの予算は確保済み。

500GeV 、 200GeV ともに 20pb-1程度のデータを取得予定。

• 500GeV の Run– W – sea quark の偏極度を flavor ごとに測定 – y~0 では 200 イベント程度実際に観測可能

前方、後方については新しい trigger 回路の comissioning– ハドロン、 photon の測定では、より小さなｘ領域に感度

– 2010 年には本格的な Run を予定

海クォーク偏極度の測定に向けて• 偏極陽子陽子衝突における W粒子の

Single Spin Asymmetry (AL) は反クォークの偏極度に敏感– 反応に参加する粒子のフレーバーとヘリシティが固定– パリティを破るので AL は 0 ではない

• RHIC PHENIX 実験においてW粒子崩壊から生じる高運動量の μ粒子を検出する

43

x1 – x2 の大きいところでは最初の項のみが主に効く。

44

PHENIX検出器

• 現在の PHENIX のトリガーでは 2GeV/c 以上の μ を捕まえている

新しいトリガーの必要性

ビーム ビーム

μ粒子

• 現在のトリガーのままでは、√ s=500GeV での設計輝度においてトリガー頻度が ~50kHz になってしまう

→Muon Arm 用 DAQ バンド幅の限界（ 2kHｚ）を大幅に超えている

→ このままでは、低運動量 μ のデータでいっぱいになってしまう・・

ミューオンの運動量分布

（√ s=200GeV ）

W粒子は運動量 40GeV/c 以上の μ粒子によって同定するため、高運動量の μ粒子を選択的に検出できるようなトリガーが必要 !!

45

トリガー原理• PHENIX Muon Tracker （ MuTr ）を用い

たトリガーが提案された→粗い軌跡情報を得て、高運動量 μ粒

子を選び出す• 棄却能力 (required = ６０００ )→約 24000 が達成できるはず！（シミュ

レーションより）PHENIX検出器 MuTr

46

Overview

Current FEE 　MuTR.

MuTRG-TX

Muon Arm Counting House

DCM(Data Collecting

Module)

GL1

DATA

MuTRG-MRGDeserialized

dataμ-Trigger

LL1

Split!

~5%

~95%

Optical Link1.2Gbps

DATATrigger

Trigger

Optical Link2.6Gbps

MuTRG-ADTX

MuTRG-ADTX board

47

Efficiency against the peak strip～ Threshold dependence (St.2)～

F.H.R~1kHz

F.H.R~10kHz

F.H.R~100kHz

新しいトリガー生成回路の性能評価

まとめ• G に関しては、 STAR ・ PHENIX のデータ双方から、

consistent な結果が得られた。– 0.02 < x < 0.3 の領域については強い制限– この範囲では gluon 偏極は小さい。むしろ負の偏極を favor– より小さな（大きな）ｘ領域を探索すべく、努力している

• Transverse 偏極を使った測定– 前方でのみ有限の AN が観測され、後方・ Midrapidity では

AN～０ → valence quark が原因？– エネルギーを変えても、この傾向は変わらない。– の AN は、 pT の単調減少関数ではなく、複雑な形をしてい

る– まだメカニズムについて決着はついておらず、様々な測定

が続けられている。