초록 ▼

연구의 목적 및 내용
양성자의 스핀이 1/2이라는 사실은 이미 잘 알려져 있지만, 이 스핀의 기원에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 지금까지 전자 또는 뮤온 빔을 이용한 실험 결과에 의하면 구성쿼크(constituent quark)로는 전체 양성자 스핀의 약 30% 밖에 설명하지 못한다. 따라서 이론적으로 대부분의 스핀은 양성자 내의 바다쿼크(sea quark) 및 반쿼크, 글루온, 그리고 이들의 각운동량에 의해 생성될 것으로 예상된다. 본 연구과제는 미국 브룩해븐 국립연구소(BNL)의 상대론적 중이온 충돌가속기(RHIC)에서

연구의 목적 및 내용
양성자의 스핀이 1/2이라는 사실은 이미 잘 알려져 있지만, 이 스핀의 기원에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 지금까지 전자 또는 뮤온 빔을 이용한 실험 결과에 의하면 구성쿼크(constituent quark)로는 전체 양성자 스핀의 약 30% 밖에 설명하지 못한다. 따라서 이론적으로 대부분의 스핀은 양성자 내의 바다쿼크(sea quark) 및 반쿼크, 글루온, 그리고 이들의 각운동량에 의해 생성될 것으로 예상된다. 본 연구과제는 미국 브룩해븐 국립연구소(BNL)의 상대론적 중이온 충돌가속기(RHIC)에서 PHENIX 검출기를 이용하여 편극 양성자 빔 충돌실험을 수행하고 양성자 스핀의 비밀을 체계적으로 연구하고자 한다. 특히 맛깔이 분리된 쿼크 및 반쿼크의 스핀구조함수, 글루온의 스핀구조함수, 파톤의 각운동량에 의한 스핀구조함수 등을 연구하고자 한다.

연구결과
PHENIX 실험에 참여하며 2011년부터 2014년까지 데이터 취득 shift에 참여하고 저항판 검출기 운영 전문가로 활약하였다. 그 결과 510 GeV 편극 양성자 충돌데이터를 약 200 pb^-1를 취득하였다.
저항판 검출기의 시운전에 성공하였으며, 충돌데이터를 취득하는 동안 뮤온 트리거를 위한 전자장비를 운영하였다. RPC1 시스템을 제작하여 설치하였고 저항판 검출기 운영을 위한 이용자 프로그램을 제작하였다.
세로편극양성자 충돌에 의해 생성된 제트와 무거운 쿼크로부터 붕괴된 전자를 이용하여 이중스핀비대칭도를 분석하였고, 이 결과를 이용해 글루온의 스핀구조함수를 연구하였다. 글루온 스핀구조함수는 오차범위 내에서 0과 일치한다.
저항판 검출기와 뮤온 트리거 전자장비를 이용하여 세로편극양성자와 비편극 양성자 충돌에 의해 생성된 W가 붕괴하며 방출한 높은 가로운동량 뮤온의 단일스핀비대칭도를 분석하고, 이 결과를 이용해 맛깔이 분리된 쿼크 및 반쿼크의 스핀구조함수를 연구하였다.
RUN12 데이터의 신호와 배경신호의 비는 약 0.3이고, 아직 여러 가지 쿼크 및 반쿼크의 스핀구조함수 모델을 구분하기는 어려운 상태이므로, 향후 충돌사건의 수가 많은 RUN13 데이터를 분석할 필요가 있다.
가로편극양성자와 비편극 양성자 충돌에 의해 생성된 질량중심 근처의 중성 파이온과 전방으로 방출되는 중성자의 단일스핀비대칭도를 분석하여 스핀의 가로방향성을 연구하였다. 중성 파이온의 단일스핀비대칭도를 파인만 x의 함수로 증가한다.

연구결과의 활용계획
본 연구과제의 결과는 양성자 스핀구조에 대한 이해를 높여주어 궁극적으로 강한상호작용 이론인 QCD를 정립하는데 크게 기여할 것으로 기대된다. 그리고 연구수행에 필수적인 뮤온 트리거 전자장비 및 각종 검출기의 운영과 실시간 데이터 모니터링, 대용량 데이터 분석 방법 등은 현재 우리나라에서 건설을 추진 중인 중이온 가속기(RAON)의 핵물리 실험에 직접 활용 가능하다. 우리나라의 중이온 가속기에서 실시될 핵물리 실험에서도 PHENIX 검출기 시스템과 같이 하전입자 궤도추적을 위한 기체검출기, 실리콘 검출기, 전자기 및 강입자 열량계, 데이터 취득용 전자 장비 등을 이용해야 하므로, 본 연구과제 수행을 통해 얻은 여러 가지 하드웨어 운영 및 소프트웨어 개발 관련 지식은 앞으로 우리나라의 핵물리 발전에 크게 기여할 것으로 판단된다.

Abstract ▼

Purpose&contents
It is already well known that the proton spin is 1/2, but its origin is not well known yet. So far, the results from the electron or muon beam experiments tell us that the constituent quarks are responsible for only about 30% of total proton spin. Therefore, most of the spin must

Purpose&contents
It is already well known that the proton spin is 1/2, but its origin is not well known yet. So far, the results from the electron or muon beam experiments tell us that the constituent quarks are responsible for only about 30% of total proton spin. Therefore, most of the spin must come from the sea quarks and antiquarks, gluons, and the angular momentum. In this research project, we plan to study the origin of the proton spin systematically using the PHENIX detector in the polarized pp collisions provided by the relativistic heavy ion collider (RHIC) at the Brookhaven National Laboratory (BNL). In particular, we plan to study the spin structure functions of the flavor separated quarks and antiquarks, gluons, and their angular momentum.

Result
We participated in the PHENIX data taking shifts from 2011 to 2014. During the runs we served as the period coordinator and the RPC experts. In total we accumulated about 200 pb^-1 for polarized proton collisions at 510 GeV.
We succeeded in commissioning the RPC system, and operated the muon trigger electronics during the data taking runs. We build and installed the RPC1 system, and made the user program for the RPC operation.
We analyzed the double spin asymmetry of jets and the electrons decayed from heavy quarks in longitudinally polarized proton collisions, and studied the gluon spin structure function. Within the error bars, the gluon spin structure function is compatible with zero.
Using the resistive plate chambers and the muon trigger electronics, we analyzed the single spin asymmetry of the high transverse momentum muons decayed from W in longitudinally polarized proton collisions, and studied the spin structure functions of the flavor separated quarks and antiquarks. The signal-to-background ratio was about 0.3 for RUN12, and the results were not accurate enough to distinguish various models. We need to analyze the high statistics RUN13 data in the future.
We analyzed the transverse single spin asymmetries of the neutral pions near the center of mass and the forward emitted neutrons in transversally polarized proton collisions, and studied the transversity of the spin structure of protons. The transverse single spin asymmetry of the neutral pions increases with Feynmann x.

Expected Contribution
The analysis results from this research are expected to deepen our understanding of the detailed spin structure of the proton, and, eventually, contribute to establish the QCD, which is the theory of the strong interaction. The operation of the muon trigger electronics and various detector elements, online monitoring of the data quality, and various analysis techniques of the large scale data set can be directly adopted by the nuclear physics experiment in the heavy-ion accelerator(RAON) to be built in Korea. Similar to PHENIX, the nuclear physics experiment in RAON will also use the tacking gas chambers, the silicon detectors, the electromagnetic and hadronic calorimeters, and the data acquisition system. As a result, the knowledge accumulated in this research for the hardware and software is expected to contribute significantly to the development of the nuclear physics in Korea.