RHIC-STAR实验上W±玻色子纵向单自旋不对称的测量

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对核子自旋结构的理解是粒子物理和原子核物理领域的一个基本问题,也是一个长期存在的难题。在极化的深度非弹性散射实验中,核子的自旋结构可以通过测量自旋依赖的散射截面进行探测。目前,夸克自旋的贡献部分已经得到了较好的测量,大约占质子自旋的25%左右,在半单举深度非弹性散射实验中,借助碎裂函数可以获取味道分离的夸克和反夸克的自旋贡献。但是由于碎裂函数本身的不确定性,味道分离的海夸克的极化部分子分布函数存在较大的不确定性。  相对论重离子对撞机(RHIC),坐落于美国长岛的布鲁克海文国家实验室,是世界上第一台极化的质子-质子对撞机。基于极化质子-质子对撞的各种优势,RHIC为我们理解核子的自旋结构,特别是胶子和海夸克的极化提供了新的机遇。在RHIC极化质子-质子对撞中,W玻色子的纵向单自旋不对称是研究味道分离的核子自旋结构的一个非常好的工具。在弱反应过程中W玻色子只和左旋的夸克和右旋的反夸克耦合,这个特征自然地决定了参与反应的夸克和反夸克的螺旋性。因此通过测量W产生过程的纵向单自旋不对称,我们就可以直接探测到海夸克的极化信息。纵向单自旋不对称AL的定义为AL≡(σ+-σ-)/(σ++σ-),其中σ+和σ-分别代表极化束流的螺旋度为正和负情况下的反应截面。在领头阶,AL可以直接与ū,(d)夸克的极化部分子分布函数△ū,△(d)关联。  STAR(RHIC上的螺旋径迹探测器)是RHIC上正在运行的两个主要的实验之一。在STAR实验上,W玻色子可以通过它们的轻子衰变道探测。利用STAR的时间投影室、桶部电子量能器和端盖电磁量能器,W玻色子到电子和中微子的衰变事例可以根据它们的运动学和拓扑结构特征进行挑选。W到电子和中微子的衰变事例应该是一个孤立的大横动量的电子径迹,并指向电磁量能器上一个孤立的大的能量沉积。由于出射的中微子我们是无法探测的,这种事例还应存在明显的横动量不平衡。根据这些特征我们可以把W事例从大量的QCD背景事例中挑选出来。W轻子衰变事例中的电子的横动量分布应该在1/2W质量(40GeV)附近出现一个峰,也就是所谓的“雅可比峰”。  末态轻子赝快度依赖的纵向单自旋不对称可以从自旋依赖的W+和W-产额计算抽取。从STAR2011年(积分亮度为9.4 pb-1)和2012年(积分亮度为77.4 pb-1)采集的数据中,我们首次测量了轻子赝快度依赖的W玻色子的纵向单自旋不对称。其中对于W,测得的AL的结果和理论预期相吻合,而对于W,在轻子的负赝快度区间(η<0),AL的结果则比理论预期大。这意味着我们的测量结果在RHIC探测的x范围(0.05,0.2)内更倾向于更大的正值△ū。另外,STAR的W AL的结果显著降低了△ū和△(d)分布的不确定性。STAR2013年采集的数据样本比之前几年采集的数据样本要大得多。从2013年的数据中,我们测得了更精确的AL结果(误差减小了40%),整体上和2011、2012年数据的测量结果吻合。把此测量结果应用到全局拟合分析中以后,将会得到对△ū和△(d)具体定量的约束。STAR的W AL测量对我们确定轻味海夸克的极化分布具有重要的意义。
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