EXPERIMENTAL STUDY OF PARTON-PARTON SCATTERING AMPLITUDES AND THE SPIN OF THE GLUON CERN-Dortmund-Heidelberg-Warsaw Collaboration

(1)

HAL Id: jpa-00221880

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Submitted on 1 Jan 1982

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EXPERIMENTAL STUDY OF PARTON-PARTON SCATTERING AMPLITUDES AND THE SPIN OF

THE GLUON CERN-Dortmund-Heidelberg-Warsaw Collaboration

D. Wegener

To cite this version:

D. Wegener. EXPERIMENTAL STUDY OF PARTON-PARTON SCATTERING AMPLITUDES

AND THE SPIN OF THE GLUON CERN-Dortmund-Heidelberg-Warsaw Collaboration. Journal de

Physique Colloques, 1982, 43 (C3), pp.C3-119-C3-121. �10.1051/jphyscol:1982327�. �jpa-00221880�

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JOURNAL DE PHYSIQUE

CoZZoque C3, supplgrnent au n o 12, Tome 43, de'cembre 1982 page ~ 3 - 1 1 9

EXPERIMENTAL STUDY OF PARTON-PARTON SCATTERING AMPLITUDES AND THE S P I N OF THE GLUON

CERN-Dortmund-Heidelberg-Warsaw c o l l a b o r a t i o n '

Presented by D. Wegener

U n i v e r s i t d t Dortmund, Postfach 50 05 00, 4600 Dortmund 50, F.R.G.

T h e Q C D t h e o r y o f s t r o n g i n t e r a c t i o n s r e q u i r e s t h e f o r c e s b e t w e e n q u a r k s t o b e m e d i a t e d b y e i g h t s p i n 1 g a u g e f i e l d s c a r r y i n g a c o l o u r q u a n t u m n u m b e r : t h e g l u o n [ I ] . B o t h t h e n o n a b e l i a n n a t u r e a n d t h e v e c t o r c h a r a c t e r o f t h e s e f i e l d s a r e e s s e n t i a l i n g r e d i e n t s o f t h e t h e o r y [ 2 ] , a n d c o n s e q u e n t l y w e r e s u b j e c t e d t o d e t a i l e d e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n s [ 3 ] . H e r e we s t u d y a Q C D t e s t , o r i g i n a l l y p r o p o s e d i n 1 9 7 1 [ 4

1 ,

i n v o l v i n g l a r g e momentum t r a n s f e r s i n d e e p i n e l a s t i c h a d r o n - h a d r m c o l l i s i o n s . T h e s e i n v e s t i g a t i o n s a l l o w t o s t u d y t h e b a s i c s c a t t e r i n g p r o c e s s e s o f p a r t o n s n a m e l y q u a r k - q u a r k , q u a r k - g l u o n a n d g l u o n - g l u o n s c a t t e r i n g [ 4 , 5 ] . G l u o n s e l f c o u p l i n g e n t e r s i n t h e s e r e a c t i o n s i n f i r s t o r d e r [ 6 ] .

I n t h i s p a p e r we c o n c e n t r a t e o n t h e q u e s t i o n i f t h e s p i n o f t h e e x - c h a n g e d f i e l d q u a n t u m i s 1 . To a n s w e r t h i s q u e s i o n o n e s i n g l e e x p e r i - m e n t a l d i s t r i b u t i o n , t h e r a p i d i t y d i s t r i b u t i o n o f f a s t a w a y s e c o n - d a r i e s i s a n a l y z e d , b u t much more d a t a a r e a v a i l i z l e : a l l c h a r g e d p a r - t i c l e s a r e m e a s u r e d , V O a r e r e c o n s t r u c t e d , t h e q u a n t u m n u m b e r s o f t h e t r i g g e r i n g h i g h p p a r t i c l e s a r e known a n d v a r i o u s k i n e m a t i c a l c o n d i - t i o n s a r e u s e d ( C ~ S e n e r g y , r a p i d i t y o f t h e t r i g g e r , h e n c e p a r t o n - p a r t o n s u b e n e r g y ) [ 7

1 .

T h e e x p e r i m e n t was p e r f o r m e d w i t h t h e u p g r a d e d S p l i t F i e l d M a g n e t d e - t e c t o r (SFMA a t t h e CERN ISR. A t r i g g e r was s e t u p a t a p o l a r a n g l e c l o s e t o 50 d e m a n d i n g a p a r t i c l e o f t r a n s v e r s e momentum l a r g e r t h a n 4 G e V / c . T h e d a t a w e r e t a k e n a t

6

= 6 3 GeV. We u s e f o r t h i s a n a l y s i s e v e n t s w i t h a T-meson t r i g g e r , i n t h e p r o t o n - p r o t o n C M s y s t e m t h e t r i g g e r r a p i d i t y was 0 . 8 . We e x p l o i t f o r t h i s a n a l y s i s t h e r a p i d i t y d i s t r i b u t i o n o f p a r t i c l e s o p p o s i t e i n a z i m u t h t o t h e t r i g g e r A + = 1 8 0 ° f 40' a n d o f t r a n s v e r s e momentum l a r g e r t h a n 2 G e ~ / c . U n d e r t h e s e e x p e r i - m e n t a l c o n d i t i o n s t h e p a r t i c l e s w i t h l a r g e t r a n s v e r s e momentum a r e t h e l e a d i n g p a r t i c l e s i n t h e " t r i g g e r 1 ' - a n d i n t h e " a w a y - j e t " . H e n c e

t h e i r r a p i d i t y d e t e r m i n e s t o a h i g h d e g r e e

( 1 y - y T R 1

< 0 . 2 ) t h e d i r e c t i o n o f t h e s c a t t e r e d p a r t o n s .

We u s e t h e q u a r k - p a r t o n m o d e l w i t h g l u o n e x c h a n g e t o p r o v i d e a f r a m e - w o r k f o r c o n f r o n t i n g t h e d a t a w i t h t h e e f f e c t s o f d i f f e r e n t s p i n a s s u m p t i o n s f o r t h e e x c h a n g e d g l u o n . We e x p l o i t t h e q u a r k p a r t o n m o d e l t o b r i d g e t h e g a p b e t w e e n t h e o b s e r v a t i o n s a n d t h e t h e o r e t i c a l c o n c e p t w h i c h i s t h e g l u o n . A p r o b a b i l i s t i c s e q u e n c e i s a s s u m e d t o c o n s t i t u t e a r e a s o n a b l e d e s c r i p t i o n o f o b s e r v a t i o n s : p a r t o n s e m e r g e f r o m h a d r o n s ( s t r u c t u r e ) , p a r t o n - p a r t o n s c a t t e r i n g o c c u r s , t h e n p a r t o n s h a d r o n i z e ( f r a g m e n t a t i o n ) . A d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h e c a l c u l a t i o n s i s g i v e n i n r e f e r e n c e [ 8 ] , b u t o n e c a n g r a s p t h e b a s i c i d e a u s i n g some s i m p l i - f i c a t i o n s . We d e f i n e t h e p a r t o n s b e f o r e i n t e r a c t i o n b y x t h e i r l o n g i t u d i n a l f r a c t i o n a l m o m e n t a . L e t 8*be t h e s c a t t e r i n g ' X 2 ' a n g l e i n t h e p a r t o n - p a r t o n CMS, w h i c h t r a n s l a t e s i n t o

e

^t,B a i n t h e p r o t o n - p r o t o n CMS f o r t h e t r i g g e r - p a r t o n a n d t h e a w a y - p a r t o n r e s p e c t i v e l y . Our t r i g g e r c o n d i t i o n f i x e s B t , t h u s , o u t o f x x , 8 *

,

t h e r e a r e 2 t r u l y i n d e p e n d e n t v a r i a b l e s . I n a d d i t i o n , thA 2 e n e r g y o f t h e t r i g g e r p a r t o n i s c l o s e t o t h a t o n e o f t h e t r i g g e r p a r t i c l e a s shown e x p e r i m e r r t a l l y i n r e f e r e n c e [ 9 ] . C o n s e q u e n t l y t h e r e i s o n l y o n e f r e e v a r i a b l e ,

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1982327

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JOURNAL DE PHYSIQUE

F i g . 1

R a p i d i t y d i s t r i b u t i o n o f f a s t f r a g m e n t s i n t h e a w a y j e t . F u l l l i n e s t a n d a r d m o d e l , t h e h o r i z o n t a l e r r o r b a r s i n d i c a t e t h e i n f l u e n c e o f p a r t o n kT. D a s h e d - d o t t e d l i n e : g l u o n f r a g m e n t a t i o n s t e e p e n e d b y

( 1 - 2 ) a t t h e r e f e r e n c e Q 2 . D o t t e d l i n e s c a l e

q 2

⁼ S / 7 [ l o ] a ) n o n a b e l i a n v e c t o r g l u o n (QCD)

b ) N o n a b e l i a r s c a l a r g l u o n . D i s t r i b u t i o n s o f a b e l i a n s c a l a r g l u o n s a r e a l m o s t i d e n t i c a l

AWAY S I D E

1

^{$ r i g} ^>⁶G e V l c

,

XE >0.5

Rapid~ty , y

Rapidity , y

F i g . 2

R a p i d i t y d i s t r i b u t i o n o f p a r t i c l e s w i t h x E > 0 . 5 i n t h e a w a y j e t . D a t a p o i n t s a n d p r e d i c t i o n s o f t h e " s t a n d a r d m o d e l " f o r v e c t o r a n d

s c a l a r g l u o n s a r e s h o w n .

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D. Wegener

h e n c e 0

*

a n d B a a r e d i r e c t l y r e l a t e d . T h i s r e l a t i o n i s s t r o n g l y i n - f l u e n c e d b y t h e v a l u e o f t h e t r i g g e r a n g l e 0

,

w h i c h may b e q u a l i f i e d a s t h e s e n s i t i v i t y o f t h e e x p e r i m e n t , B t = 9 6 0 b e i n g t h e p o o r e s t c h o i c e .

I n f i g . I t h e r e s u l t o f t h e c o m p l e t e c a l c u l a t i o n o f t h e r a p i d i t y d i s t r i b u t i o n s o f t h e a w a y p a r t i c l e s i s g i v e n . T h e d i f f e r e n t c u r v e s c o r r e s p o n d t o v a r i a t i o n s o f t h e m o d e l . O n e f i n d s t h a t t h e d i s t r i b u - t i o n f o r t h e s c a l a r g l u o n i n a l l c a s e s i s s h i f t e d w i t h r e s p e c t t o t h a t o n e o f t h e v e c t o r g l u o n b y a b o u t 0 . 6 u n i t s o f r a p i d i t y .

T h e d i s t r i b u t i o n s o f r a p i d i t y f o r t h e c h a r g e d p a r t i c l e s " a w a y " f r o m t h e t r i g g e r a r e s h o w n i n f i g . 2 t o g e t h e r w i t h m o d e l p r e d i c t i o n s . As a t v i c a l e x a m p l e we show t h e s u b s a m p l e o f e v e n t s w i t h a t r i g g e r

~ ~ G e V / c . T h e l ' a w a y - p a r t i c l e s ' T w e r e r e s t r i c t e d t o a n a z i m u t h a l 2 6 P T w e d g e o p p o s i t e t o t h e t r i g g e r w i t h i n 4 0 ° , a n d h a d a t r a n s v e r s e momentum a t l e a s t a s l a r g e a s h a l f t h a t o n e o f t h e t r i g g e r , i . e .

T R > 0 . 5 . A l l c u r v e s a r e n o r m a l i z e d t o u n i t a r e a . T h e d a t a x E > p T J p T

a g r e e r e a s o n a b l y w e l l w i t h t h e v e c t o r h y p o t h e s i s , w h e r e a s t h e s c a l a r o n e i s d e f i n i t e l y r u l e d o u t . T h e c o m p a r i s o n i s m a d e i n t h e s e f i g u r e s w i t h o u r " s t a n d a r d m o d e l " b u t , a s s e e n i n f i g . 1 , t h e s c a l a r a s s u m p - t i o n w o u l d b e e v e n l e s s a c c e p t a b l e i f v a r i a t i o n s o f t h e m o d e l w e r e u s e d .

We c o n c l u d e f r o m t h e i n v e s t i g a t i o n o f t h e r a p i d i t y d i s t r i b u t i o n o f f a s t f r a g m e n t s f r o m t h e h a r d - s c a t t e r e d p a r t o n s i n d e e p i n e l a s t i c p r o t o n - p r o t o n i n t e r a c t i o n s t h a t t h e f o r c e s b e t w e e n p a r t o n s a r e m e d i a - t e d b y s p i n l f i e l d s ; a m o d e l w i t h s p i n 0 g l u o n s i s e x c l u d e d . T h e r e - s u l t s t r o n g l y s u p p o r t s Q C D t o b e t h e u n d e r l y i n g f i e l d t h e o r y o f h a - d r o n i c i n t e r a c t i o n s .

R e f e r e n c e s :

- + S u p p o r t e d b y t h e B u n d e s m i n i s t e r i u m f i i r F o r s c h u n g u n d Technologic o f t h e F e d e r a l R e p u b l i c o f G e r m a n y a n d t h e M i n i s t e r i u m f i i r W i s s e n s c h a f t u n d F o r s c h u n g o f NRW.

[ I ] H . F r i t z s c h e t a l . , P h y s . L e t t .

47B

( 1 9 7 3 ) 3 6 5 [ 2 ] S . C o l e m a n e t a l . , P h y s . R e v . L e t t .

2

( 1 9 7 3 ) 8 5 1

[ 3 ] F . E i s e l e , E x p e r i m e n t a l T e s t s o f QCD, DO-EXP-82-05 ( 1 9 8 2 ) [ 4 ] S.M. B e r m a n e t a l . , P h y s . R e v . ( 1 9 7 1 ) 3 3 8 8

[ 5 1 R.P. F e y n m a n e t a l . , P h y s . R e v . D l 8 ( 1 9 7 8 ) 3 3 2 0 [ 6 ] M . G l i i c k e t a l . , P h y s . L e t t . ~ 7 9 8 1 4 4 4 )

[ 7 ] CDHW c o l l a b o r a t i o n , P . H a n k e P r o c . R e n c o n t r e d e M o r i o n d 1 9 8 2 [ 8 ] T . L o h s e , D i p l o m a r b e i t , D o r t m u n d 1 9 8 2 ( u n p u b l i s h e d )

[ 9 ] CDHW c o l l a b o r a t i o n , C . D . B u c h a n a n , P r o c . B e n c o n t r e d e M o r i o n d 1 9 8 2 [ l o ] W . F u r m a n k i e t a l . , T P J U - 1 1 / 8 1 ( 1 9 8 1 )