J-PARC dimuon実験による
核子スピン構造測定
RCNP Workshop
「J-PARCハドロン実験施設の
ビームライン整備拡充に向けて」
2007年11月12日(月)
後藤雄二(理研/RBRC)
内容
• イントロ
– 核子スピン構造
– RHICその他の偏極実験の状況、結果
• J-PARC Drell-Yan実験の物理
– 縦偏極実験:核子スピンのフレーバー構造
– 横偏極実験:軌道角運動量の寄与
– その他
2007年11月12日(月)
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2
核子スピン構造
• Fundamentalな対象であるにもかかわらず、理解さ
れていない
• QCDを基盤とする研究方法が発展している
• 核子の構造を調べるともに、QCDに対するテスト、
理解となる
– Q2 evolution + factorization + universality
– global QCD analysis of e++e-, e+p, and p+p(or pbar)
data
• unpolarized/polarized parton distribution functions
• fragmentation functions
• 縦偏極実験と横偏極実験
– クォークスピンとグルーオンスピンの寄与
– クォークとグルーオンの軌道角運動量の寄与
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3
核子スピン1/2の起源 ?
• EMC実験@CERN
J. Ashman et al., NPB 328, 1 (1989).
1 4
1
1 
0 dxg ( x)  2  9 u  9 d  9 s 
 0.123  0.013(stat )  0.019(syst )
1
p
1
– 中性子およびハイペロン崩壊データを用いて
  u  d  s  12  9(stat )  14(syst )%
「陽子スピンの危機」
• クォークスピンは核子スピンの小さな割り合いにしか寄与しない
– x = 0 ~ 1 の積分による不確定性
• より広いx領域を覆う、よりよい精度のデータが必要
 SLAC/CERN/DESY/JLAB 実験
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4
偏極レプトン深非弾性散乱実験
• クォークスピンの寄与
 ~ 0.2
• 核子スピン1/2の起源は何
か?
1 1
   g  L
2 2
– グルーオンスピンの寄与?
– 軌道角運動量?
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5
グルーオンスピンの寄与
• 偏極深非弾性散乱実験のスケール則の破れ
– 摂動QCDの発展方程式の重要な成功
– Q2の範囲が限られている
0.42
1.43
SMC : g (Q 2  1 GeV 2 )  0.9910..17
(stat)
(syst)
31
0.22
0.45 (th)
B. Adeba et al., PRD 58, 112002 (1998).
E155 : g (Q 2  5 GeV 2 )  1.6  0.8(stat)  1.1(syst)
P.L. Anthony et al., PLB 493, 19 (2000).
• semi-inclusive 深非弾性散乱実験
– 高pTハドロン対生成
– オープンチャーム生成
• 偏極ハドロン衝突実験
– 光子の直接生成、重いフレーバー生成
– 高pTハドロン生成、ジェット生成
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6
グルーオンスピンの寄与
• PHENIX ALL in neutral pion production
– mid-rapidity || < 0.35, s = 200 GeV
ALL  [ gg ]gg  [ gq q]g  [qq qq]
G = 0.4
at Q2=1(GeV/c)2
G = 0.1
at Q2=1(GeV/c)2
gg + qg dominant
sensitive to the gluon reaction
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7
グルーオンスピンの寄与
• PHENIX ALL of 0
Calc. by W.Vogelsang and M.Stratmann
– GRSV-std scenario, G =
0.4 at Q2 = 1(GeV/c)2,
excluded by data on more
than 3-sigma level,
2(std)2min > 9
• only experimental statistical
uncertainties included (the
effect of systematic
uncertainties expected to be
small in the final results)
• theoretical uncertainties not
included
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8
クォーク偏極分布のフレーバー依存
• weak boson production
– RHIC spin
• s = 500 GeV
• 2009 –
– parity-violating asymmetry
AL
W
L
A
u ( xa )d ( xb )  d ( xa )u ( xb )

u ( xa )d ( xb )  d ( xa )u ( xb )
– no fragmentation ambiguity
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9
横偏極非対称度測定
• SSA (Single Spin Asymmetry)、左右非対称度
AN 
d Left  d Right
d Left  d Right
• 前方 xF > 0.2
– Fermilab-E704
•
•
•
•
固定標的実験
s = 19.4 GeV
非対称度 ~20%
多くのQCDに基づく理論の開発
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10
SSA(Single Spin Asymmetry)測定
• 前方
– RHIC実験
+

• s = 200 GeV
K
p
p
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11
分布関数と破砕関数
• Transversity分布関数
q( x)  h1T ( x)
– 横方向に偏極した陽子内部におけるパートンの横方向ス
ピンの分布
• Sivers分布関数

1T
2
T
f ( x, p )
– 陽子の横方向スピンと、陽子内部の非偏極パートンの横
方向運動量(pT2)との相関
• Collins破砕関数

1
2
T
H ( z, k )
– 破砕するパートンの横方向スピンと、生成されたハドロン
のパートンに対する横方向運動量(kT2)との相関
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12
イントロのまとめ
• RHICその他の偏極実験で、核子スピンに対するグ
ルーオンスピンの寄与についての決着は着く
• 次は核子スピンに対する軌道角運動量の寄与の測
定、決定
• 横偏極に対する非対称度については、わかってい
ないことがまだまだある
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13
Drell-Yan実験
• ハドロン衝突で最も単純な過程
DIS
Drell-Yan
– QCDからのfinal-state effectがない
– 偏極Drell-Yan実験はこれまで行なわれていない
• Sea-quark分布のフレーバー非対称性
– 非偏極測定と縦偏極測定
• 核子内部の軌道角運動量?
– Sivers効果(Collins効果はない)
• Transversity分布関数など
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14
Drell-Yan実験
• なぜJ-PARCか?
– 偏極陽子ビームの可能性
• 日本とBNLの加速器グループによる技術的な可能性の議論
– 高強度、高輝度
• Drell-Yan反応の断面積は小さい
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15
Sea-quark分布のフレーバー非対称性
• Fermilab E866 Drell-Yan実験
 pd 1  d ( x2 ) 
~ 1 

pp
2
2  u ( x2 ) 
with CT EQ5M

0.35
0.015
dx[d ( x)  u ( x)]
 0.0803 0.011
1
 dx[d ( x)  u ( x)]
0
 0.118 0.012
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16
Sea-quark分布のフレーバー非対称性
• 起源
– meson-cloud模型
• 仮想的なmeson-baryon状態
p  p  , n  , 
– カイラルクォーク模型
d distribution is softer tha
n mesoncloud model
because it splitsfrom(valence)quark
– インスタントン模型
– カイラルクォークソリトン模型
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17
Sea-quark分布のフレーバー非対称性
• + は陽子中の余分な
dbar の起源だろうか?
2007年11月12日(月)
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18
J-PARC dimuon実験
•
•
•
•
•
800-GeVビームでのFermilab実験のスペクトロメータがベース
長さを短く、apertureはできるだけ広く保つ
2台のbending-magnet、pT キック2.5-GeV/cと0.5-GeV/c
3-stationのMWPCとドリフトチェンバーによるtracking
ミューオンIDとtracking
tapered copper beam dump
and Cu/C absorbers placed
within the first magnet
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19
J-PARC dimuon実験
• 非偏極実験
– 陽子ビームと陽子および重陽子ターゲット
2007年11月12日(月)
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20
J-PARC dimuon実験
• 縦偏極Drell-Yan実験
– ALL測定
• sea-quark偏極分布のフレーバー非対称性
GS-C
GS-A
GRSV
chiral quark soliton
model prediction
120-day run
75% polarization for a 51011 protons/spill
polarized solid NH3 target, 75% hydrogen
polarization and 0.15 dilution factor
2007年11月12日(月)
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21
Sea-quark偏極分布のフレーバー非対称性
• 偏極Drell-Yan実験
– x: 0.25 – 0.5
• RHICでのW生成
– x: 0.05 – 0.1
GS-C
GS-A
GRSV
reduction of uncertainties to determine the quak spin contribution 
and gluon spin contribution G to the proton spin
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22
J-PARC dimuon実験
• 核子スピンに対する軌道角運動量の寄与
– ハドロン衝突実験から直接軌道角運動量の寄与に結び
つく理論はまだない
– しかし、偏極核子中の横方向の運動に関わる効果は軌
道角運動量と関係するはず
• Sivers 効果
• higher-twist 効果
– ALL 測定も high-xF で軌道角運動量に sensitive…
• Feng Yuan らの Lz = 1 に対する計算… [Harut Avakian, Feng
Yuan, et al. arXiv:0705.1553.]
2007年11月12日(月)
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23
偏極Drell-Yan実験
• SSA (AN) 測定
– Ji, Qiu, Vogelsang, and Yuan
• PRD 73, 094017 (2006)
• 高い qT ~ Q ではhigher-twist効果に感度が高い
• 適当な qT: QCD << qT << Q の範囲では、Sivers効果とhighertwist効果が同じ記述を与える
• semi-inclusive DISのSSAについても同様: hep-ph/0604128
– Drell-Yan実験で測定されるSivers分布関数はDIS実験
で測定されるものと符号が逆になる
• e+pデータとp+pデータの間でのQCDに対するテスト
2007年11月12日(月)
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24
偏極Drell-Yan実験
• SSA (AN) measurement
4 < M+- < 5 GeV
integrated over qT
Theory calculation by Ji, Qiu, Vogelsang
and Yuan based on Sivers function fit of
HERMES data (Vogelsang and Yuan:
PRD 72, 054028 (2005))
2007年11月12日(月)
1000 fb-1 (120-day run), 75%
polarization, no dilution factor
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25
偏極Drell-Yan実験
• ATT measurement
– h1(x): transversity
ATT  aˆTT 
2
e
 q (h1q ( x1 )h1q ( x2 )  (1  2))
q
2
e
 q ( f1q ( x1 ) f1q ( x2 )  (1  2))
q
aˆTT 
sin 2  cos( 2  S1  S 2 )
1  cos 2 
• SSA measurement, sin(+S) term
– h1(x): transversity
– h1(1)(x): Boer-Mulders function (1st moment of)
ˆA   1
2
2
 (1)
e
(
h
 q 1q ( x1 )h1q ( x2 )  (1  2))
q
2
e
 q ( f1q ( x1 ) f1q ( x2 )  (1  2))
q
2007年11月12日(月)
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26
非偏極Drell-Yan実験
• Boer-Mulders function h1(x, kT2)
– angular distribution of unpolarized Drell-Yan
 2
 1  d   3  

2

1


cos



sin
2

cos


sin

cos
2

 
  


d

2
 
  4  

– correlation between transverse quark spin and quark
transverse momentum
 
 
ˆ k )S
ˆ k )S
(
P
(
P

q

q
N ( )  h1 q ( x1 , k 2 ) 
 h1 q ( x2 , k 2 ) 
M
M
2007年11月12日(月)
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27
非偏極Drell-Yan実験
• Boer-Mulders function by unpol. Drell-Yan
1    2
– Lam-Tung relation
• reflect the spin-1/2 nature of quarks
– violation of the Lam-Tung relation suggests nonperturbative origin
  ,    
With Boer-Mulders function h1┴:
ν(π-Wµ+µ-X)~valence h1┴(π)*valence h1┴(p)
ν(pdµ+µ-X)~valence h1┴(p)*sea h1┴(p)
L.Y. Zhu,J.C. Peng, P. Reimer et al., hep-ex/0609005
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28
Towards the goal
• 30 GeV  50 GeV
• unpolarized  polarized target  polarized beam
– polarized beam study by BNL & KEK groups
– possible locations of partial snakes in MR
First 30% snake
2007年11月12日(月)
Second 30% snake
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29
Polarized proton acceleration at J-PARC
– 50 GeV polarized protons for slow extracted beam
primary fixed target experiments
– low intensity (~ 1012 ppp), low emittance (10  mm
mrad) beams
pC CNI Polarimeter
Extracted Beam
Polarimeter
-
Pol. H Source
Rf Dipole
180/400 MeV Polarimeter
25-30% Helical Partial Siberian Snakes
Thomas Roser (BNL), et al.
2007年11月12日(月)
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30
Physics at 30 GeV
• J/
– gluon fusion or quark-pair annihilation
– quark-pair annihilation dominant
• must be confirmed experimentally…
• similar physics topics as Drell-Yan process
calculations by color-evaporation model

eq
l
q
J/
g qV
g lV
q
2007年11月12日(月)
l
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31
Physics at 30 GeV
• SSA measurement of open
charm production
J-PARC: Elab = 50 GeV
– no single-spin transfer to the
final state
– sensitive to initial state
effect: Sivers effect
– collider energies: gluonfusion dominant
• sensitive to gluon Sivers RHIC: s = 200 GeV
effect
– fixed-target energies: quarkpair annihilation dominant
• sinsitive to quark Sivers
effect
M. Anselmino, U. D’Alesio, F. Murgia, et al.
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32
まとめ
• J-PARC dimuon 実験のスピン物理メニュー
– 縦偏極 ALL of Drell-Yan
• sea-quark 偏極のフレーバー非対称性
– 横偏極 AN of Drell-Yan
• Sivers関数(sin(-S) term)
• transversity分布関数 & Boer-Mulders関数(sin(+S) term)
– 横偏極 ATT of Drell-Yan
• transversity分布関数
– その他(30-GeV)
• J/: Drell-Yan と同様のメニュー?
• AN of open charm: Sivers関数
• (neutron-tagged Drell-Yan)
2007年11月12日(月)
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33
Backup Slides
核子スピン1/2の起源 ?
• 偏極レプトン深非弾性散乱実験
lepton beam
 or 
– パートン模型

g*
 or 

q( x)  q ( x)  q ( x)
nucleon target
quark
Sg  S N  1/ 2
Sg  S N  3 / 2
g*
 1T/ 2 ~  ei2 q  ( x)
i


 
  
A1  

    
g*
 3T/ 2 ~  ei2 q  ( x)
2


e
(
q
(
x
)

q
i i
i ( x ))
2
偏極構造関数
e

i qi ( x )
g1 ( x)
i
i
~


2


2
 ei (qi ( x)  qi ( x))  ei qi ( x) F1 ( x)
i
2007年11月12日(月)
i
i
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非偏極構造関数
35
核子スピン1/2の起源 ?
• 偏極レプトン深非弾性散乱実験


 
  
A1  
~

    
2


e
(
q
(
x
)

q
i i
i ( x ))
g1 ( x)


2


2
 ei (qi ( x)  qi ( x))  ei qi ( x) F1 ( x)
i
i
i
more correctly
g1 ( x)  g  g 2 ( x)
A1 
F1 ( x)
– 実験データ
1 N   N 
A
PT PB N    N  
2007年11月12日(月)
2
e
 i qi ( x)
i
2 TL
g 2 ( g1 ( x)  g 2 ( x))
A2  


    
F1 ( x)
PT target polarization
 D( A1  A2 ) ~ DA1 PB beam polarization
D depolarization factor
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36
偏極レプトン深非弾性散乱実験
• 固定ターゲット実験
– Q2の範囲が限られている
unpolarized DIS
polarized DIS
1 < Q2 < 100 (GeV/c)2
2007年11月12日(月)
1 < Q2 < 100 (GeV/c)2
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37
縦偏極の実験
• クォークスピンとグルーオンスピンの寄与の測定
– QCD collinear factorization
– Q2 evolution
– global analysis
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38
QCD factorization
– ex. hadron production
in proton collisions
• pphX
c
d    dxa  dxb  dzc f a ( xa ,  ) fb ( xb ,  ) Dch ( zc ,  ) dˆ ab
( xa PA , xb PB , Ph / zc ,  )
a ,b,c
f a ( xa ,  ) , fb ( xb ,  ) parton distribution function (PDF)
D ( zc ,  )
h
c
fragmentation function (FF)
c
dˆ ab
( xa PA , xb PB , Ph / zc ,  )

partonic cross section
long distance term
short distance term
factorization scale – boundary between short and long distance
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39
QCD factorization
• long distance term
–
–
–
–
–
unpol. & pol. PDFs – partonic structure of the nucleon
fragmentation functions
determined from experimental data
“universal” property of the nucleon – same in each reaction
Q2 dependence calculated by the evolution equation of the
perturbative QCD
• short distance term
– unpol. & pol. partonic cross section – hard interaction of
partons
– calculated by the perturbative QCD – process dependent
– the first order (next-to-leading order, NLO) corrections are
generally indispensible for a firmer theoretical prediction
s
c
c ,( 0 )
c ,(1)
dˆ ab  dˆ ab 
dˆ ab
 ...

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40
QCD factorization
• factorization scale 
– dependence of the calculated cross section on 
represents an uncertainty in the theoretical
predictions
– dependence on  decreases order-by-order in the
perturbative QCD
– knowledge of higher orders in perturbative expansion
of the partonic cross section is important
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41
Global QCD analysis
• framework to combine various experimental data
into a systematically controlled extraction of the
unpol. & pol. PDFs, FFs
– experimental data adata(x, Q2) with experimental errors
adata(x, Q2)
– function form (parametrizations) of PDFs and FFs
satisfying physical requirements at the initial Q20
– Q2 evolution of PDFs/FFs and theoretical calculation
corresponding to the experimental data acalc(x, Q2)
– 2 analysis (minimization)
a
   
a 
2
data
( x , Q )  a ( x, Q
a data ( x, Q 2 )
2
calc
2
)


2
– parameters (and errors on the parameters)
determined
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42
Global analysis
• polarized-DIS analysis
– GRSV, LSS, BB, AAC, …
• AAC03
M. Hirai, S. Kumano, and N. Saito, PRD 69, 054021 (2004)
– NLO analysis
– fit A1 data with function forms
f ( x)  [x   ( x  x  )] f ( x)
f ( x), f  uv , dv , g, q
polarized PDFs
f (x)
PDFs (GRV98)
– experimental A1 data
• proton data: EMC, SMC, E130, E143, E155, HERMES
• deuteron data: SMC, E143, E155
• neutron (3He) data: E142, E154, HERMES
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43
Global analysis
• polarized-DIS analysis
uv , dv well determined
g , q more experimental data necessary
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44
グルーオンスピンの寄与
• 偏極深非弾性散乱実験のスケール則の破れ
– 摂動QCDの発展方程式の重要な成功
– Q2の範囲が限られている
0.42
1.43
SMC : g (Q 2  1 GeV 2 )  0.9910..17
(stat)
(syst)
31
0.22
0.45 (th)
B. Adeba et al., PRD 58, 112002 (1998).
E155 : g (Q 2  5 GeV 2 )  1.6  0.8(stat)  1.1(syst)
P.L. Anthony et al., PLB 493, 19 (2000).
• semi-inclusive 深非弾性散乱実験
– 高いpTのハドロン対生成
– オープンチャーム生成
lepton beam
 or 
g*
heavy flavor
 or 
gluon
nucleon target
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45
グルーオンスピンの寄与
• 偏極ハドロン衝突実験
– double helicity asymmetry
d    d  
ALL 
d    d  
– leading-order グルーオン測定
• 光子の直接生成
• 重いフレーバー生成
proton beam
proton beam
 or 
 or 
gluon
gluon
photon
gluon
 or 
 or 
proton beam
proton beam
2007年11月12日(月)
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heavy flavor
46
HERMES @ DESY
• semi-inclusive DIS
– internal polarized gas target: H, D, 3He, polarization
(H, D) ~85%
– electron/positron beam: 27.6 GeV, polarization ~55%
2007年11月12日(月)
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47
COMPASS @ CERN
• semi-inclusive DIS
– polarized 6LiD target: polarization ~50%
– + beam: 160 GeV, polarization ~80%
trigger-hodoscopes
DW45
SM2 dipole
RICH_1
straw
s
Muonfilter2,MW2
Gem_1
1
ECAL2,HCAL2
HCAL1
SM1 dipole
MWPC Gems Scifi
Polarised Target
Muon-filter1,MW1
Veto
Silicon
BMS
2007年11月12日(月)
SciFi
straws,MWPC,Gems,Sc
iFi
Gems,SciFi,DCs,straws
Micromegas,DC,SciFi
RCNP Workshop
48
グルーオンスピンの寄与
• semi-inclusive
深非弾性散乱実験
– [email protected]
• 高pTハドロン対生成
– [email protected]
• 高pTハドロン対生成
– [email protected]
• 高pTハドロン対生成
• オープンチャーム生成
lepton beam
 or 
g*
heavy flavor
 or 
gluon
nucleon target
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
49
[email protected]
• 偏極陽子衝突型加速器
– エネルギー 200 GeV (将来は 500 GeV)
– 偏極度60%以上 (目標は70%)
RHIC pC Polarimeters
BRAHMS & PP2PP
Absolute Polarimeter (H jet)
PHOBOS
Siberian Snakes
Siberian Snakes
PHENIX
STAR
Spin Rotators
(longitudinal polarization)
Solenoid Partial Siberian Snake
Pol. H Source
LINAC
Spin flipper
Spin Rotators
(longitudinal polarization)
BOOSTER
Helical Partial Siberian Snake
200 MeV Polarimeter
AGS
AGS Internal Polarimeter
Rf Dipole
AGS pC Polarimeters
Strong AGS Snake
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
50
STAR and PHENIX @ BNL
• STAR detector
• 2 coverage for
jet measurement
• barrel TPC and EMC
• endcap EMC
• PHENIX detector
• limited acceptance
• high resolution central EMCal
• high-rate trigger and DAQ
• forward muon detectors
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
51
生成断面積測定
• perturbative QCD applicable ?
– dependence of the calculated cross section on 
represents an uncertainty in the theoretical
predictions
 (  0 / 2)
 ( 0 )
M. Stratmann
and W. Vogelsang
pT (GeV/ c)
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
52
生成断面積測定
– comparison of 0 cross section
between data and NLO
perturbative-QCD calculations
– agreement is excellent down
even to pT ~ 1 GeV/c
s  200 GeV
mid-rapidity
forward rapidity
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
53
グルーオンスピンの寄与
• STAR ALL of jet
2005 STAR preliminary
GRSV DIS
Systematic error band
Measured Jet PT (GeV/c)
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
54
グルーオンスピンの寄与
• 直接生成光子
– mid-rapidity || < 0.35, s
= 200 GeV
– gluon compton process
dominant ~75%
g ( xg ) p
ALL ( pT ) 
 A1 ( xq )  aˆ LL
g ( xg )
proton beam
 or 
gluon
photon
 or 
proton beam
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
55
Gluon polarization
• ALL projection
– 0 and direct photon at PHENIX
• mid-rapidity || < 0.35, s = 200 GeV
• 2005 – 2009 runs
GRSV-std
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
GRSV-std
56
Gluon polarization
• ALL projection
– jet at STAR
• -1 <  < 2
• s = 200 GeV
• 2005 run
GRSV-std
– coincidence channels
• dijet, 0-0, g-jet, g-0
• reconstruction of partonic kinematics
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
57
クォーク偏極のフレーバー依存
• various quark and antiquark
polarization individually
u, u , d , d , s, s
– reduction of uncertainties to
determine the quak spin
contribution  and gluon spin
contribution G to the proton spin
• semi-inclusive DIS
– HERMES
h    , K  A1h ~
2
h
e

q
(
x
)
dzD
 i i  i ( z)
i
2
h
e
q
(
x
)
dzD
 i i  i ( z )
i
  Pqh ( x, z )qi ( x)
– Pq
i
h(x,z):
purity
• unpolarized quantity
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
58
横偏極の実験
• クォークとグルーオンの軌道角運動量の寄与
– QCDに基づく理論の開発
– TMD (Transverse-Momentum Dependent)
factorization など
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
59
非偏極分布関数
Sivers関数
Helicity分布関数
Transversity分布関数
Boer-Mulders関数
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
P. Mulders
60
SSA(Single Spin Asymmetry)測定
• 前方ラピディティー
– 非対称度 ~20%
– 多くのQCDに基づく理論の開発
s = 19.4 GeV
s = 200 GeV
Fermilab-E704
Phys.Rev.Lett. 92 (2004) 171801
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
61
前方ラピディティー
+

K
p
p
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
62
中央ラピディティー
• PHENIX
– 異なる運動学的領域
•
•
•
•
•
contribution from both gluon-gluon and quark-gluon reactions
x = 0.03 – 0.1
small quark polarization/transversity
no gluon transversity in leading twist
negligible transversity & Collins effect contribution
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
63
中性子生成非対称度@IP12
• performed in 2001-2002 with s = 200 GeV polarized
proton collisions at the 12 o’clock collision point
~1800cm
±2.8mrad
Dx magnet
10cm
Blue beam
yellow beam
Hadron
Cal
hodoscope
EM Cal
Charged veto
(plastic scinti.)
Post shower counter
Steel
To measure
Collision point
Gamma veto
(plastic scinti.)
Lead block
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
Neutron veto
(plastic scinti.)64
中性子生成非対称度@IP12
• Phys. Lett. B 650 (2007) 325.
1
A( ) 
PB
invariant mass
of pairs of
energy clusters
N , N ,   N ,  N ,
N , N ,   N ,  N ,
 AN sin(    )
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
65
J-PARC facility
Materials and Life Science
Experimental Facility
Hadron Beam Facility
Nuclear
Transmutation
500 m
Neutrino to
Kamiokande
Linac
(330m)
3 GeV Synchrotron
(25 Hz, 1MW)
50 GeV Synchrotron
(0.75 MW)
J-PARC = Japan Proton Accelerator Research Complex
Joint Project between KEK and JAEA
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
66
J-PARC parameters
• 50 GeV beam
–
–
–
–
–
repetition 3.4 ~ 5 (or 6) sec
flat top width 0.7 ~ 2 (or 3) sec
linac energy 400 MeV
3.31014 ppp, 15 A
beam power 750 kW
• 30 GeV beam (phase-1)
– linac energy 180 MeV
– 21014 ppp, 9 A
– beam power 270 kW
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
67
Hadron experimental hall (phase 1)
beamlines for secondary beam experiments at the beginning of the phase1
Experimental
Area
Test
Beam
A-Line
Beam
Dump
(on the guide
rail
for Phase 2)
area for primary beam experiments
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
68
Sea-quark分布のflavor非対称性
• Gottfried sum rule
– in the parton model with isospin symmetry
1 dx
1 2 1
p
2
n
2
I G   [ F2 ( x, Q )  F2 ( x, Q )]    dx[u ( x, Q 2 )  d ( x, Q 2 )]
0 x
3 3 0
– CERN NMC experiment

0. 8
dx[ F2p ( x, Q 2 )  F2n ( x, Q 2 )]
0.004
 0.221 0.008(st at ).  0.019(syst .)
at Q 2  4 GeV 2
I G  0.235 0.026
1
 dx[d ( x)  u ( x)]  0.148 0.039
0
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
69
Dimuon experiment
• Fermilab E866/NuSea
– closed geometry
Fermilab Elab = 800 GeV
2×1012 protons / 20 sec
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
70
Simulation studies
• Expected Drell-Yan
counts for a two-month
p+d run at 50 GeV
– 2x1012 protons/spill
– 50-cm long liquid
deuterium target
– assume 50 percent
overall efficiency
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
71
Physics at 30 GeV
– cross section
• PYTHIA (6.228) study with PHENIX tune (<kT> = 1.5 GeV/c, Mc =
1.25 GeV/c2, K-factor = 3.5, Q2 = s)
Wohri and Lourenco
1 10
0.1
1 10
15
consistent at fixed-target
region, too
0.1
15
smaller yield (same result
as Laurenco’s study)
• J-PARC: 3-4 order smaller cross section than that at RHIC
– can be compensated by higher intensity/luminosity at J-PARC…
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
72
D-meson
– silicon detectors to identify second decay vertex
– yield study
•
•
•
•
•
pT
109 proton/sec beam
10% target
2×1033 cm-2sec-1
× 1 week = 103 pb-1
acceptance 0.05 – 0.3 to cover forward/midrapidity/backward
D0 yield
pT > 1.5 GeV/c
5.5×106 D0
for 103 pb-1
1.5 GeV/c
-1
2007年11月12日(月)
xF
1
-1
RCNP Workshop
xF
1
73
SSA measurements
– neutron-tagged measurement
• measure AN of coincident particles at BBC at PHENIX
• forward neutron, forward BBC, left-right
– (4.500.500.22)102 < 0
• forward neutron, backward BBC, left-right
– (2.280.550.10)102 > 0
– asymmetry in the forward BBC has the same sign
while backward particle has opposite sign AN
initial-state effect - favored
Y
p
AN(X) < 0, AN(Y) > 0
p
N*(*)  n+X
X
p
p
2007年11月12日(月)
final-state effect
AN(X) > 0, AN(Y)??
n
RCNP Workshop
74
SSA measurements
– neutron-tagged measurement of Drell-Yan pair…
• Jen-Chieh Peng’s calculation expecting sensitivity to the
meson cloud model, and measurement of pion structure
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
75
Polarized proton acceleration
• AGS warm helical partial Siberian snake




replaced solenoidal partial snake
same design as cold snake (dual pitch)
1.5 Tesla field
~ 6 % partial snake (w/o generating
coupling)
 funded by RIKEN, built by Takano Ind.
Thomas Roser (BNL), et al.
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
76
Polarized proton acceleration
• 25 % AGS super-conducting helical snake
completed helical dipole coil
correction solenoid and dipoles
measured twist angle 2 deg/cm
in the middle ~ 4 deg/cm at ends
Thomas Roser (BNL), et al.
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
77
Polarized proton acceleration at J-PARC
• Intrinsic resonances in RCS
• emittance: 10 mm-mrad, 95%
• repetition rate 25Hz
• sinusoidal ramping
• kinetic energy: 180MeV – 3GeV
• intrinsic resonance
strength for a particle
at an emittance of
10 mm-mrad
Fast tune jump?
=6.18x10-5
Full spin flip by a rf dipole
=7.63x10-5
=6.60x10-5
=2.33x10-5
Mei Bai (BNL)
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
78
Polarized proton acceleration at J-PARC
• Spin tracking in 50 GeV MR
average of 12 particles
on an ellipse of 4 mmmrad
Alfredo Luccio (BNL)
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
79
Polarized target
• Michigan polarized target
– existing at KEK
– target thickness ~3 cm (1%
target)
– maybe operational with 1011
ppp (luminosity ~1034 cm-2s-1)
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
80
SSA measurements of neutron
– large asymmetry found at RHIC
– production mechanism of neutron
• one-pion exchange dominant – spin flip
• figures for study in DIS exps. (HERA), please replace virtual
photon with proton to apply them for pp reaction
– asymmetry measurement
• sensitive to interference between spin-flip term (one-pion
exchange) and non-spinflip term (other reggeon exchanges)
– relation to the meson-cloud model? p  n 
– neutron-tagged measurement of Drell-Yan?
• production rate
• asymmetry measurement
2007年11月12日(月)
RCNP Workshop
81
ダウンロード

J-PARCにおける 核子スピン構造の解明