Measurement of the strange quark contribution to the proton spin using neutral kaons at HERMES

Abstract

Ziel des HERMES-Experiments am DESY (Hamburg) ist die präzise Vermessung der Spin-struktur des Protons mittels tiefinelastischer Lepton-Nukleon-Streuung. Hierzu wird der in der HERMES- Wechselwirkungszone longitudinal polarisierte Positronen-Strahl des HERA-Beschleunigers mit einem Impuls von 27,5 GeV/c an einem ebenfalls longitudinal polarisierten Gastarget gestreut. Eine erfolgreiche Beschreibung der Wechselwirkungsprozesse zwischen Quarks und Gluonen ist nach allgemeiner Auffassung der Schlüssel zum Verständnis der Grundlangen des Nukleonenspins. Die innere Struktur des Nukleons kann durch die Partonverteilungen der Quarks und der Gluonen, aus denen das Nukleon aufgebaut ist, dargestellt werden. Die spin-gemittelten PDFs (parton distribution functions) repräsentieren die Impulsverteilungen der Quarks und Antiquarks, der Quarkflavours q = (u, d, s). Die Helizitätsverteilungen ∆q(x) = q↑↑ (x) − q↑↓ (x) beschreiben den flavourabhängigen Beitrag der Konstituentenquarks zum Nukleonenspin. Die Helizitätsverteilung des Strange-Quark-Sees ∆S (x), ist hierbei von besonderem Interesse, da ihre Eigenschaften zum Verständnis des für die Entstehung des Quark-Sees verantwortlichen Reaktionsmechanismus beitragen können. Ein Großteil unseres Verständnisses der Spinstruktur des Nukleons und insbesondere die Tatsache, dass nur ein unerwartet kleiner Anteil des Nukleonenspins von den Spins der Quarks herrührt, basiert auf inklusiven Analysen der Daten aus tief-inelastischen Streuexperimenten sowie des Hyperonenzerfalls unter der Annahme von SU(3)-Symmetrie zwischen den Strukturen des Baryon-Oktetts. In solchen Experimenten jedoch ist die Helizitätsverteilung der Strange-Quarks keiner direkten Messung zugänglich. Diese Messungen deuteten auf eine beträchtliche negative Polarisation des Strange-Quark-Sees hin. Dies wurde als Ursache für die ebenfalls in diesen Analysen beobachtete Verletzung der Ellis-Jaffe-Summenregel angesehen. Darüber hinaus lässt eine von Null verschiedene Polarisation der Strange-Quarks insoweit Rückschl üsse auf eine beträchtliche Polarisation der Gluonen zu, als Seequarks durch die Aufspaltung von Gluonen erzeugt werden. In der Tat wurden aufgrund der beobachteten negativen Strange-Quark-Polarisation Spekulationen bezüglich einer stark positiven Gluonenpolarisation angestellt. Im Gegensatz zu den erwähnten inklusiven Analysen deuten aktuelle semi-inklusive Messungen von HERMES darauf hin, dass der Strange-Quark-See unpolarisiert ist. Eine Analyse, bei der Daten von Proton- und Deuteron-Targets komplett nach fünf Quarkflavours separiert wurden (die Analyse ist insensitiv auf ∆s_bar), ergab einen Wert von ∆s = 0.028 ± 0.033 ± 0.009. In einer unabhängigen Extraktion der Summe der Helizitätsverteilungen ∆s + ∆s_bar von Deuteron-Daten wurde ein Wert von ∆s + ∆s_bar = 0.129 ± 0.042 ± 0.129 gemessen. (Der große systematische Fehler dieser Messung ist auf die Unsicherheiten der Kaon-Fragmentations-Funktionen zurückzuführen.) Gegenstand dieser Dissertation ist eine neuartige isoskalare Messung von ∆s + ∆s_bar, in der diese Probleme umgangen werden. Da Strange-Quarks keinen Isospin tragen, ist der Strange-Quark-See im Proton und Deuteron gleich. Da das Deuteron ein isoskalares Target ist, kann der Fragmentationsprozess in der tiefinelastischen Streuung beschrieben werden, ohne dass Annahmen bezüglich isospinabhängiger Fragmentation notwendig sind. Zur isoskalaren Extraktion wird lediglich die Spinasymmetrie der Ks-Mesonen, A1,dKs (x, Q2, z) sowie die inklusive Asymmetrie A1,d (x, Q2 ) benötigt. Eine akkurate Messung der gesamten nicht-strange-Polarisation ∆Q = ∆u + ∆u_bar+ ∆d + ∆d_bar ergibt sich direkt aus A1,d (x, Q2 ). Die für eine Extraktion der gesamten Strange-Quark und -Antiquark-Polarisation ∆S = ∆s+∆s_bar in führender Ordnung (leading order, LO) erforderlichen Fragmentationsfunktionen erhält man aus dem selben HERMES-Datensatz im benötigten kinematischen Bereich. Ergebnis der hier beschriebenen Analyse ist, dass die Helizitäts-Dichteverteilungen für Strange-Quarks innerhalb des gemessenen Bereichs von 0.02 < x < 0.7 konsistent mit Null sind: ∆S = 0.010 ± 0.066 ± 0.004. The HERMES experiment at DESY, Germany was designed to carry out precision measurements of the proton spin structure using polarised deep-inelastic lepton-nucleon scattering. The experiment utilises the 27.5 GeV/c electron or positron beam of the HERA accelerator which is longitudinally polarised at HERMES, in combination with a longitudinal polarised internal gas target. The key to understanding the origins of the spin of the nucleon is widely believed to lie in a successful description of the interactions of the quarks and gluons from which it is formed. The internal structure of the nucleon is embodied in parton distributions of the constituent quarks and gluons. The spin-averaged parton distribution functions q(x) of quarks and antiquarks of flavours q = (u, d, s) describe the parton momentum distributions. The differences, or helicity distributions, ∆q(x) = q↑↑ (x) − q↑↓ (x), describe the flavour dependent contributions of the constituent partons to the spin of the nucleon. The helicity distribution of the strange quarks sea, ∆S (x), is an essential feature of the spin structure of the nucleon. Its properties reflect the reaction mechanism that is responsible for the formation of the quark sea. Much of the information on nucleon spin structure, in particular, the observation that an unexpected small fraction of the spin of the proton comes from the intrinsic quark spins is based on an analysis of inclusive deeply inelastic scattering and hyperon decay under the assumption of SU(3) symmetry among the structures of the octet baryons. In these experiments (EMC and SMC), the helicity distribution for strange quarks were directly accessible to measurement. The strange quark sea was observed to have a substantial negative polarisation. The violation of the Ellis-Jaffe sum rule observed in that analysis was attributed to this negative polarisation. To the extent that the virtual sea quarks are generated by gluon splitting, a non-zero strange quark polarisation can be attributed to a substantial polarisation of the gluons. Indeed, it has been speculated that the observed value of the strange sea helicity distribution results from a large positive gluon polarisation. In contrast to the earlier inclusive measurements, recent data from semi-inclusive DIS at HERMES suggest that the strange sea is unpolarised. A full 5 parameter flavour decomposition using data from proton and deuteron targets, although not sensitive to the anti-strange quark spin ∆s_bar, yielded ∆s = 0.028 ± 0.033 ± 0.009. A separate extraction of ∆s + ∆s_bar from DIS data on the deuteron alone gave ∆s + ∆s_bar = 0.129 ± 0.042 ± 0.129 where the large systematic error reflects the lack of knowledge of the kaon fragmentation functions. This thesis reports a new isoscalar measurement of ∆s + ∆s_bar in which these limitations are avoided. Because strange quarks carry no isospin, the strange seas in the proton and neutron are identical. In the deuteron, an isoscalar target, the fragmentation process in DIS can be described without any assumptions regarding isospin dependent fragmentation. In the isoscalar extraction of ∆s + ∆s_bar only the spin asymmetry for Ks A1,dKs (x, Q2 ,z) and the inclusive asymmetry A1,d (x, Q2 ) are used. An accurate measurement of the total non-strange quark polarisation ∆Q = ∆u + ∆u_bar+ ∆d + ∆d_bar comes directly from A1,d (x, Q2 ). The fragmentation functions needed for a leading order (LO) extraction of ∆S = ∆s + ∆s_bar are measured directly at HERMES kinematics using the same data. As a result of this analysis, the helicity densities for the strange quarks are consistent with zero with the experimental uncertainty over the measured x kinematic range.