核子横向自旋结构研究

摘要

为了探测核子内部结构和研究核子内部分子的强相互作用动力学，实验上采取测量自旋依赖的可观测量，对核子自旋结构的研究经常给研究人员带来让人兴奋和吃惊的结果。在1980年代出现的核子自旋危机表明，简单的夸克-部分子模型在描述核子结构方面有局限性，这直接导致了全世界的核物理和粒子物理学家提出了各种各样的实验和理论去研究核子的自旋结构。尽管如此，受到各种实验技术和理论的发展限制，研究人员的主要精力还只是停留在核子纵向极化的研究上。近些年，由于理论上的一些突破，研究人员在核子横向自旋结构和核子内部分子的强相互作用机制方面有了更深入的了解，实验上测量和验证核子横向自旋和核子内的强相互作用动力学又成为全世界核物理和粒子物理学家关注的焦点。国内有一批理论家在核子横向结构计算方面有比较突出的贡献，但是由于受到技术的限制，国内目前还没法进行相应的实验，美国杰弗逊国家实验室(JLab)拥有世界上在几个GeV能区最好的极化电子束流，并且在该实验室能够制备世界一流的高极化度靶，这样使得美国Jefferson国家实验室成为进行相关实验的热门实验室。JLab的E06-010实验是世界上第一次用极化电子束打横向极化的3He靶来研究中子的横向自旋结构。该实验是一个打靶实验，靶后面有2个探测臂，一个叫做HRS（用来探测末态的强子），对强子有非常好的能动量分辨和粒子种类鉴别能力，另外一个臂叫BigBite(用来探测被散射的电子)，这2个探测臂利用符合技术测量e+3He-＞e'+(pion，kaon，proton)的半单举过程(SIDIS process)的截面在核子自旋依赖上的不对称性来推测中子的横向自旋结构。下一代的实验测量，Jlab会用覆盖2π的名叫SoLID的谱仪，这个谱仪已经被Jlab12 GeV升级项目通过，这个谱仪在核子横向自旋结构研究的实验中在核子多维结构测量和核子横向动量分布测量方面给出非常高的精度。
　　本研究主要内容包括：⑴带电奇异K-介子在半单举深度非弹性散射反应中(Semi-Inclusive Deep Inelastic Scattering)与靶的横向自旋的单相关性(Transverse Target Single Spin Asymmetry)的研究；⑵带电pi介子，及K-介子在强子单举反应中(Inclusive hadron production)与靶的横向自旋的单相关性研究；⑶带电pi介子与极化电子速流和极化靶的自旋双相关性（beam-targetdouble spin asymmetry）的研究。

目录

声明

摘要

ABSTRACT

ACKNOWLEDGEMENTS

TABLE OF CONTENTS

Chapter 1 INTRODUCTION

1．1 Electromagnetic Probe

1．2 Form Factors

1．3 Deep-inelastic Scattering(DIS)

1．3．1 Unpolarized Structure Functions

1．3．2 Polarized Structure Functions

1．3．3 h1(x)

Chapter 2 PHYSICS MOTIVATION

2．1 Semi-inclusive Deep Inelastic Scattering(SIDIS)

2．2 Transverse-Momentum-Dependent Parton Distributions(TMDs) and Fragmentation Functions(FFs)

2．2．1 Interpreting SIDIS Process in the Parton Model

2．2．2 TMDs at Leading twist

2．2．3 Fragmentation Functions

2．2．4 TMD Factorization and Collinear Factorization

2．2．5 Model Calculations of TMDs

2．3 Probing the Collins and Sivers Effects

Chapter 3 EXPERIMENTAL SETUP

3．1 Overview

3．2 Incident Electron Beam

3．2．1 The Continuous Electron Bearn Accelerator

3．2．2 Hall A Beamline

3．3 BigBite Spectrometer

3．3．1 BigBite Magnet

3．3．2 Multi-wire Drift Chamber(MWDC)

3．3．3 Lead-glass Calorimeter

3．3．4 Scintillator Plane

3．4 Left High Resolution Spectrometer(HRS)

3．4．1 Vertical Drift Chambers(VDC)

3．4．2 Two Scintillator Planes S1 and S2m

3．4．3 Cherenkov Detectors

3．4．4 Lead-glass Detector

3．5 Polarized 3He target

3．6 Data Acquisition(DAQ) and Trigger

3．6．1 CODA

3．6．2 Trigger Design

Chapter 4 DATA ANALYSIS

4．1 Detector calibrations

4．1．1 BigBite MWDC Calibration

4．1．2 BigBite Spectrometer’s Optics

4．1．3 BigBite Calorimeter Calibration

4．1．4 LHRS Calibrations

4．1．5 Coincidence Time-of-Flight

4．2 Event Selection

4．2．1 Electron Selection from BigBite

4．2．2 PID in LHRS

4．2．3 (e′，kaon)SIDIS Event Selection

4．3 Analysis Method

4．3．1 The Local Pair Method

4．3．2 The Maximum Likelihood Method

4．4 Prescale Factor Effects

4．5 Dilution Study

4．5．1 N2 Dilution

4．5．2 Proton Dilution

Chapter 5 RESULTS AND DISCUSSIONS

5．1 Collins and Sivers Asymmetries in 3He↑(e，e′K±)X Processes

5．1．1 Results

5．1．2 Contaminations

5．1．3 N2 Dilutions

5．1．4 Systematic Uncertainties

5．1．5 One Binning Analysis

5．1．6 Numerical calculation

5．1．7 One-Term Fit

5．1．8 Discussions

5．2 Beam-Target Double-Spin Asymmetries(DSA) in Inclusive Hadron(pions，kaons and protons) Production

5．2．1 Results

5．2．2 Contaminations

5．2．3 Dilutions

5．2．4 Systematic Uncertainty Sources

5．2．5 Discussions

5．3 Target Single Spin Asymmetries in Inclusive Hadron Production

5．3．1 Results

5．3．2 Control of False Asymmetry

5．3．3 Discussions

5．4 Beam-Target Double-Spin Asymmetries in Inclusive electron Production

5．4．1 Binning Information and Kinematic Variables

5．4．2 Obtaining Asymmetries

5．4．3 Combination of Data

5．4．4 N2 Dilution Factors

5．5 Conclusion

APPENDICES

REFERENCES

Biography