Studio delle asimmetrie azimutali nei processi SIDIS e Drell-Yan all'esperimento COMPASS

COMPASS is a high-energy physics experiment located at the SPS accelerator at CERN. One of the key objectives of the experiment is the exploration of the transverse spin structure of nucleon via study of the spin (in)dependent azimuthal asymmetries with semi-inclusive deep inelastic scattering (SIDIS) and Drell-Yan (DY) processes. At leading order (LO), lepton-polarization-independent part of the general expression of the cross section of unpolarized-hadron production in polarized-lepton SIDIS off a transversely polarized nucleon comprises three transverse-target-polarization-dependent azimuthal asymmetries (TSAs). Within the QCD improved parton model approach, these asymmetries are interpreted in terms of convolutions of quark transverse-momentum-dependent (TMD) parton distribution functions (PDFs) and fragmentation functions (FF). Similarly, the cross section of pion-nucleon DY lepton-pair production off a transversely polarized nucleon also comprises three LO transverse-target-polarization-dependent azimuthal asymmetries, when the polarizations of the produced leptons are summed over. In case of Drell-Yan, the interpretation of the TSAs is given in terms of convolutions of two TMD PDFs, one of the target nucleon and the second of the beam hadron. The COMPASS experiment is presently the only facility exploring the transverse spin structure of the nucleon with two alternative experimental approaches, using mostly the same set-up and a similar transversely polarised proton target. This opens the unique opportunity of comparable kinematic coverage when studying the TMD PDFs obtained from SIDIS and DY and addressing the QCD prediction for the sign-change of Sivers TMD PDF. For my master-thesis project I have been focused on the analysis of COMPASS SIDIS data collected in 2010 with μ+ beam and a transversely polarised NH3 proton target and Drell-Yan data collected in 2015 using a high-intensity π¿ beam and a similar transversely polarised target. I studied all aforementioned six LO TSAs which arise in SIDIS and DY processes. The proton transverse-spin azimuthal asymmetries have been extracted from 2010 SIDIS data using the same regions of photon virtuality Q2 as used in the ongoing analysis of 2015 DY data. This gives a possibility for the future direct comparison of the nucleon transverse-momentum-dependent parton distribution functions accessed by the two alternative experimental methods. Analysis presented in the thesis has been carried out using standard COMPASS asymmetry extraction methods and techniques for systematic studies. Obtained results have been cross-checked independently by other COMPASS groups and have been successfully released by the collaboration. The Sivers effect is determined from COMPASS SIDIS data with good statistical accuracy. In particular the accuracy of the SIDIS measurement appears to be sufficient also in the highest Q2-range which is particularly suited for the comparison with COMPASS DY results in the corresponding range of dimuon mass. At variance to the SIDIS case, only one third of the collected polarized DY data has been processed and was available for the analysis at the time of my thesis work. Thus obtained results for Sivers and other TSAs from DY suffer from large statistical uncertainties and no Sivers sign change tests could have been performed. Anyway, obtained results demonstrated the stability of the data collected and confirmed estimations done for the COMPASS DY project in 2010.

COMPASS è un esperimento a bersaglio fisso, situato presso la linea di estrazione M2 del Super Proton Synchrotron. L'obiettivo dell'analisi qui condotta, è l'indagine della distribuzione dello spin trasverso del nucleone, attraverso lo studio delle asimmetrie azimutali osservabili nel processo di urto profondamente inelastico semi inclusive, ℓN→ ℓ′h+X (SIDIS), e nel processo Drell-Yan, π¿N→ ℓ+ℓ¿+X (DY). Considerando solo la parte indipendente dalla polarizzazione del muone, l'espressione della sezione d'urto del processo SIDIS per un nucleone polarizzato trasversalmente contiene, al primo ordine, tre asimmetrie legate alle modulazioni azimutali degli angoli dell'adrone prodotto, φh, e del vettore dello spin, φS. Discorso analogo può essere svolto per il processo DY, la cui espressione della sezione d'urto per un adrone non polarizzato su un nucleone polarizzato trasversalmente contiene anch'essa tre asimmetrie azimutali. Per il processo SIDIS, secondo il modello partonico della cromodinamica quantistica, le asimmetrie sono interpretate come la convoluzione delle distribuzioni partoniche (PDF) dipendenti dal momento trasverso intrinseco (TMD) del partone con le funzioni di frammentazione (FF) del quark. Nel caso del processo DY le asimmetrie sono invece espresse come la convoluzione delle due TMD PDF dei quark che partecipano nel processo di annichilazione. L'esperimento COMPASS ha quindi un ruolo unico poiché è possibile accedere alle stesse TMD PDF attraverso i due diversi processi con pressoché lo stesso apparato sperimentale e nella stessa regione cinematica. Si ha dunque la preziosa opportunità di incrementare la comprensione della struttura dello spin del nucleone e di testare la predizione della QCD riguardo al cosiddetto cambiamento di segno della funzione di Sivers. Nel mio progetto di tesi magistrale mi sono concentrata sull'analisi dei dati SIDIS e DY raccolti dall'esperimento COMPASS rispettivamente negli anni 2010 e 2015. In particolare mi sono dedicata allo studio delle sei asimmetrie azimutali prima citate. Nel caso dei dati SIDIS del 2010 le asimmetrie azimutali sono state ottenute nella stessa regione cinematica adottata per l'analisi DY del 2015 così da poter confrontare i valori ottenuti con da i due diversi processi fisici e poter testare la predizione della QCD del cambiamento di segno della funzione di Sivers. L'analisi presentata è stata condotta utilizzando i metodi di estrazione e di valutazione degli errori sistemati adottati usualmente dalla collaborazione COMPASS. I risultati ottenuti sono stati validati indipendentemente da altri gruppi COMPASS e approvati ufficialmente dal gruppo di analisi. L'effetto di Sivers é stato determinato con un'ottima precision statistica. In particolare l'elevata significatività del valore ottenuto nella regione cinematica ad alto impulso trasferito, permette un confronto con il corrispondente risultato DY. A differenza del caso SIDIS, solo un terzo dei dati di DY su bersaglio polarizzato sono invece stati prodotti e analizzati al momento del mio lavoro di tesi; pertanto le asimmetrie azimutali estratte sono affette da un considerevole errore statistico non permettendo ancora alcuna verifica della predizione del cambiamento del segno. Tuttavia i risultati presentati nell'elaborato confermano e avallano le valutazioni proposte per la presa dati DY nel progetto iniziale del 2010.