First Measurement of the Beam Normal Single Spin Asymmetry - - PowerPoint PPT Presentation

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first measurement of the beam normal single spin
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Jan 08, 2023 614 likes •1.01k views

First Measurement of the Beam Normal Single Spin Asymmetry in Resonance Produc=on by Q-weak Nuruzzaman (https://userweb.jlab.org/~nur) for the Q-weak Collaboration Beam

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SLIDE 1

First ¡Measurement ¡of ¡the ¡Beam ¡ Normal ¡Single ¡Spin ¡Asymmetry ¡in ¡Δ ¡ Resonance ¡Produc=on ¡by ¡Q-­‑weak ¡

Nuruzzaman

(https://userweb.jlab.org/~nur)

for the Q-weak Collaboration

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SLIDE 2

Beam ¡Normal ¡Single ¡Spin ¡Asymmetry ¡

Nuruzzaman ¡ 2 ¡

Bn = σ − σ σ + σ

  • Beam Normal Single Spin Asymmetries (Bn) are generated when

transversely polarized electrons scatter from unpolarized targets

  • Bn is parity conserving and is time-reversal invariant

spin UP spin DOWN

Bn is also known as transverse asymmetry

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 3

Beam ¡Normal ¡Single ¡Spin ¡Asymmetry ¡

Nuruzzaman ¡ 3 ¡

Bn = 2T1γ × Im T2γ |T1γ| σ − σ σ + σ =

T1γ – amplitude for 1-photon exchange T2γ – amplitude for 2-photon exchange

γ + γ γ

  • Beam Normal Single Spin Asymmetries (Bn) are generated when

transversely polarized electrons scatter from unpolarized targets

  • Bn is parity conserving and is time-reversal invariant
  • Bn provides direct access to the imaginary part of the two-photon

exchange amplitude

Bn arises from the interference of 2-photon exchange with 1-photon exchange in e-N scattering

spin UP spin DOWN

Bn is also known as transverse asymmetry

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 4

Beam ¡Normal ¡Single ¡Spin ¡Asymmetry ¡

Nuruzzaman ¡ 4 ¡

Bn = 2T1γ × Im T2γ |T1γ| σ − σ σ + σ =

T1γ – amplitude for 1-photon exchange T2γ – amplitude for 2-photon exchange

Contains information about the Intermediate states of the nucleon

γ + γ γ

  • Beam Normal Single Spin Asymmetries (Bn) are generated when

transversely polarized electrons scatter from unpolarized targets

  • Bn is parity conserving and is time-reversal invariant
  • Bn provides direct access to the imaginary part of the two-photon

exchange amplitude

Bn arises from the interference of 2-photon exchange with 1-photon exchange in e-N scattering

spin UP spin DOWN

Bn is also known as transverse asymmetry

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 5

Bn ¡in ¡the ¡Produc=on ¡of ¡the ¡Δ ¡Resonance ¡

Nuruzzaman ¡ 5 ¡

Measuring Bn in e + p e + Δ

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 6

Bn ¡in ¡the ¡Produc=on ¡of ¡the ¡Δ ¡Resonance ¡

Nuruzzaman ¡ 6 ¡

  • Proton EM FF well known. N→Δ EM transition FF fairly well known
  • Unique tool to study γ*ΔΔ form factors
  • Potential to constrain charge radius and magnetic moment of Δ!

Physics Motivation: For p and Δ intermediate hadrons, vertices are known

  • except for γ*ΔΔ electromagnetic (EM) vertex

Measuring Bn in e + p e + Δ

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 7

Asymmetry ¡Measurement ¡

Nuruzzaman ¡ 7 ¡

Measured asymmetry ϵM(ϕ) = N − N N + N

e- proton θ K K'

S S

Can be measured with a transversely polarized beam to determine the magnitude

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 8

Asymmetry ¡Measurement ¡

Nuruzzaman ¡ 8 ¡

Measured asymmetry ϵM(ϕ) = N − N N + N = − BnS.n = BnS sin(ϕ-ϕ0) = Bn [PVcos(ϕ) - PHsin(ϕ)]

∧ ¡

n =

∧ ¡

k × k’ |k × k’|

Measured asymmetry has a small azimuthal dependence

e- proton θ K K'

S S

  • Horizontal

: PH = S cos(ϕ0)

  • Vertical : PV = S sin(ϕ0)

Can be measured with a transversely polarized beam to determine the magnitude

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 9

Asymmetry ¡Measurement ¡

Nuruzzaman ¡ 9 ¡

Measured asymmetry ϵM(ϕ) = N − N N + N = − BnS.n = BnS sin(ϕ-ϕ0) = Bn [PVcos(ϕ) - PHsin(ϕ)]

∧ ¡

n =

∧ ¡

k × k’ |k × k’|

Measured asymmetry has a small azimuthal dependence

e- proton θ K K'

S S

  • Horizontal

: PH = S cos(ϕ0)

  • Vertical : PV = S sin(ϕ0)

Can be measured with a transversely polarized beam to determine the magnitude

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

Data taken on targets

  • Hydrogen
  • Aluminum
  • Carbon

Transverse polarization:

  • Horizontal
  • Vertical

Q-weak has data with different beam energy and physics process

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SLIDE 10

Asymmetry ¡Measurement ¡

Nuruzzaman ¡ 10 ¡

Measured asymmetry ϵM(ϕ) = N − N N + N = − BnS.n = BnS sin(ϕ-ϕ0) = Bn [PVcos(ϕ) - PHsin(ϕ)]

∧ ¡

n =

∧ ¡

k × k’ |k × k’|

Measured asymmetry has a small azimuthal dependence

e- proton θ K K'

S S

  • Horizontal

: PH = S cos(ϕ0)

  • Vertical : PV = S sin(ϕ0)

Can be measured with a transversely polarized beam to determine the magnitude

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

Data taken on targets

  • Hydrogen
  • Aluminum
  • Carbon

Transverse polarization:

  • Horizontal
  • Vertical

This talk: Inelastic e-p scattering with a Δ(1232) final state at E = 1.16 GeV Q-weak has data with different beam energy and physics process

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SLIDE 11

Jefferson ¡Lab ¡and ¡Q-­‑weak ¡Setup ¡

Nuruzzaman ¡ 11 ¡

C A B D

Q-weak experiment ran in Hall-C at the Thomas Jefferson National Laboratory in Newport News, Virginia from Jan 2010 – May 2012 Q-weak setup inside Hall-C (during construction) Aerial view of Jefferson Lab

Transverse measurements were taken from 16 - 20 February, 2012

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 12

Q-­‑weak ¡Apparatus ¡

Nuruzzaman ¡ 12 ¡

  • Ebeam = 1.16 GeV
  • <θ> ~ 8.3°
  • Q2 = 0.021 (GeV/c)2
  • ϕ coverage ~ 49% of 2π
  • Current = 180 µA
  • Polarization = 88%

Kinematics

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 13

Q-­‑weak ¡Apparatus ¡

Nuruzzaman ¡ 13 ¡

3 7 5 1 2 4 8 6 ϕ è (octant # − 1) x 45o

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

  • Ebeam = 1.16 GeV
  • <θ> ~ 8.3°
  • Q2 = 0.021 (GeV/c)2
  • ϕ coverage ~ 49% of 2π
  • Current = 180 µA
  • Polarization = 88%

Kinematics

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SLIDE 14

Q-­‑weak ¡Apparatus ¡

Nuruzzaman ¡ 14 ¡

3 7 5 1 2 4 8 6 ϕ è (octant # − 1) x 45o

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

  • Ebeam = 1.16 GeV
  • <θ> ~ 8.3°
  • Q2 = 0.021 (GeV/c)2
  • ϕ coverage ~ 49% of 2π
  • Current = 180 µA
  • Polarization = 88%

Kinematics

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SLIDE 15

Asymmetries ¡from ¡Cerenkov ¡Detector ¡Signals ¡

Nuruzzaman ¡ 15 ¡

Not corrected for

  • False beam asymmetries
  • Polarization
  • Backgrounds

Integrating signal

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

ϵR ϵL

ϵraw = ϵL + ϵR 2

~0.6 V Right PMT Left PMT

e-

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SLIDE 16

Regressed ¡Transverse ¡Asymmetries ¡

Nuruzzaman ¡ 16 ¡

§ Regressed asymmetries § Not corrected for polarization and backgrounds

0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315°

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 17

Regressed ¡Transverse ¡Asymmetries ¡

Nuruzzaman ¡ 17 ¡

Fit function for horizontal: ϵreg

H sin(ϕ)

vertical: ϵreg

V cos(ϕ)

~90o phase offset ¡

§ Regressed asymmetries § Not corrected for polarization and backgrounds

0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315°

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 18

Summary ¡of ¡Uncertain=es ¡on ¡ϵreg

¡

Nuruzzaman ¡ 18 ¡

dominated by statistics systematics are under control

§ Error weighted (H and V) regressed asym. § Corrected for detector acceptance § Not corrected for polarization and backgrounds

ϵreg = 5.1 ± 0.4 (stat) ± 0.1 (sys) ppm

Measured asymmetry

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 19

Extrac=on ¡of ¡Physics ¡Asymmetry ¡

Nuruzzaman ¡ 19 ¡

Beam Normal Single Spin Asymmetry ¡

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 20

Extrac=on ¡of ¡Physics ¡Asymmetry ¡

Nuruzzaman ¡ 20 ¡

Beam Normal Single Spin Asymmetry ¡

Extracting Bn from the experimental measured asymmetry by

u removing false asymmetries u ϵreg = ϵraw -

∂ϵraw ∂Ti ∆Ti, cor. for det. acpt.

∑

i New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 21

Extrac=on ¡of ¡Physics ¡Asymmetry ¡

Nuruzzaman ¡ 21 ¡

Beam Normal Single Spin Asymmetry ¡

Extracting Bn from the experimental measured asymmetry by

u removing false asymmetries u correcting for the beam polarization u ϵreg = ϵraw -

∂ϵraw ∂Ti ∆Ti, cor. for det. acpt.

∑

i New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 22

Extrac=on ¡of ¡Physics ¡Asymmetry ¡

Nuruzzaman ¡ 22 ¡

Beam Normal Single Spin Asymmetry ¡

Extracting Bn from the experimental measured asymmetry by

u removing false asymmetries u correcting for the beam polarization u removing background asymmetries

  • Al : aluminum window backgrounds
  • BB

: scattering from the beamline

  • QTor: neutral particles in the magnet acpt.
  • el : elastic radiative tail

Bbi = Background asymmetries fbi = dilution factors ¡

u u ϵreg = ϵraw -

∂ϵraw ∂Ti ∆Ti, cor. for det. acpt.

∑

i New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 23

Extrac=on ¡of ¡Physics ¡Asymmetry ¡

Nuruzzaman ¡ 23 ¡

Beam Normal Single Spin Asymmetry ¡

Extracting Bn from the experimental measured asymmetry by

u removing false asymmetries u correcting for the beam polarization u removing background asymmetries u correcting for radiative tails and other

kinematic correction

  • Al : aluminum window backgrounds
  • BB

: scattering from the beamline

  • QTor: neutral particles in the magnet acpt.
  • el : elastic radiative tail

Bbi = Background asymmetries fbi = dilution factors ¡

u u Mkin = kinematic correction u ϵreg = ϵraw -

∂ϵraw ∂Ti ∆Ti, cor. for det. acpt.

∑

i New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 24

Summary ¡of ¡Uncertain=es ¡

Nuruzzaman ¡ 24 ¡

Beam Normal Single Spin Asymmetry ¡

Bn = 43 ± 16 ppm

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

at kinematics

  • <E> = 1.16 GeV
  • <W> = 1.2 GeV
  • <θ> = 8.3°
  • <Q2> = 0.021 GeV2

~ 38% measurement of beam normal single asymmetry in Δ resonance production

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SLIDE 25

Summary ¡of ¡Uncertain=es ¡

Nuruzzaman ¡ 25 ¡

Beam Normal Single Spin Asymmetry ¡

Bn = 43 ± 16 ppm

Summary of Uncertainties

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 26

Summary ¡of ¡Uncertain=es ¡

Nuruzzaman ¡ 26 ¡

Beam Normal Single Spin Asymmetry ¡ Biggest contribution is from elastic radiative tail ¡

Bn = 43 ± 16 ppm

Summary of Uncertainties

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 27

Summary ¡of ¡Uncertain=es ¡

Nuruzzaman ¡ 27 ¡

Beam Normal Single Spin Asymmetry ¡ Biggest contribution is from elastic radiative tail ¡

Bn = 43 ± 16 ppm

Summary of Uncertainties

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

elastic peak Δ peak

This prelim. analysis takes10% additional uncertainty due to discrepancy between data and simulation (incomplete)

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SLIDE 28
  • sensitive to γ*ΔΔ form factors

In the calculation there is lattice QCD parameterizations for γ*ΔΔ form factors which are not so well known large asymmetries in the forward region ¡

Comparison ¡of ¡Bn ¡to ¡Theory ¡Calcula=on ¡

Nuruzzaman ¡ 28 ¡ New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 29
  • sensitive to γ*ΔΔ form factors
  • Q-weak transverse dataset along with world data has potential to

constrain models and study charge radius and magnetic moment of Δ Measured Bn agrees with theoretical calculation ¡

Comparison ¡of ¡Bn ¡to ¡Theory ¡Calcula=on ¡

Nuruzzaman ¡ 29 ¡ New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 30

Summary ¡

Nuruzzaman ¡ 30 ¡

0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315°

Q-weak has measured Bn in the N-to-Δ transition on H2 43 ± 16 ppm

<E> = 1.16 GeV, <W> = 1.2 GeV, <θ> = 8.3°, <Q2> = 0.021 GeV2

  • preliminary result shows agreement with a

theoretical calculation

  • physics implications of the model needs

investigation

  • sensitive to γ*ΔΔ form factors
  • working towards the improvement in systematic

uncertainty

Data for Bn at low Q2 in elastic and inelastic scattering with a Δ(1232) final state from several targets and energy are available.

  • looking for model predictions !
  • Q-weak transverse dataset along with world

data has potential to constrain models and study charge radius and magnetic moment of Δ

Δ peak Toroidal magnet spectrometer current [A] elastic peak

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 31

Q-­‑weak ¡Collabora=on ¡

Nuruzzaman ¡ 31 ¡

D.S. Armstrong, A. Asaturyan, T. Averett, J. Balewski, J. Beaufait, R.S. Beminiwattha, J. Benesch,

  • F. Benmokhtar, J. Birchall, R.D. Carlini1, J.C. Cornejo, S. Covrig, M.M. Dalton, C.A. Davis,
  • W. Deconinck, J. Diefenbach, K. Dow, J.F. Dowd, J.A. Dunne, D. Dutta, W.S. Duvall, M. Elaasar,

W.R. Falk, J.M. Finn1, T. Forest, D. Gaskell, M.T.W. Gericke, J. Grames, V.M. Gray, K. Grimm, F. Guo, J.R. Hoskins, K. Johnston, D. Jones, M. Jones, R. Jones, M. Kargiantoulakis, P.M. King, E. Korkmaz,

  • S. Kowalski1, J. Leacock, J. Leckey, A.R. Lee, J.H. Lee, L. Lee, S. MacEwan, D. Mack, J.A. Magee,
  • R. Mahurin, J. Mammei, J. Martin, M.J. McHugh, J. Mei, R. Michaels, A. Micherdzinska, K.E. Myers,
  • A. Mkrtchyan, H. Mkrtchyan, A. Narayan, L.Z. Ndukum, V. Nelyubin, Nuruzzaman, W.T.H van Oers,

A.K. Opper, S.A. Page1, J. Pan, K. Paschke, S.K. Phillips, M.L. Pitt, M. Poelker, J.F. Rajotte, W.D. Ramsay, J. Roche, B. Sawatzky,T. Seva, M.H. Shabestari, R. Silwal, N. Simicevic, G.R. Smith2,

  • P. Solvignon, D.T. Spayde, A. Subedi, R. Subedi, R. Suleiman, V. Tadevosyan, W.A. Tobias, V. Tvaskis, B.

Waidyawansa, P. Wang, S.P. Wells, S.A. Wood, S. Yang, R.D. Young, S. Zhamkochyan

1Spokespersons 2Project Manager Grad Students

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 32

Nuruzzaman ¡

Backup Slides

32 ¡ New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 33

Transverse ¡Dataset ¡ ¡

Nuruzzaman ¡ 33 ¡

Δ peak

Other datasets:

  • in the 𝑂→Δ region (Al, C)
  • in the 𝑂→Δ region (H2, 0.877 GeV)
  • elastic scattering (H2, Al, C)
  • elastic Møller scattering (H2)
  • in the DIS region (3.3 GeV)
  • in pion photoproduction

This talk: Inelastic e-p scattering with a Δ(1232) final state at E = 1.16 GeV

Simulation at E = 1.16 GeV elastic peak

Data on both side of the inelastic peak were taken to study the elastic dilution

Toroidal magnet spectrometer current [A] Data on 3 types of targets

  • Hydrogen
  • Aluminum
  • Carbon

Transverse polarization:

  • Horizontal
  • Vertical

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 34

Elas=c ¡Radia=ve ¡Tail ¡

Nuruzzaman ¡

fel = 0.70 ± 0.07

Background Corrections Elastic radiative tail Beam Normal Single Spin Asymmetry ¡

This prelim. analysis takes10% additional uncertainty due to discrepancy between data and simulation (incomplete) Residual = (data – sim.) data

Bel = -5.1 ± 0.5 ppm

Dilution

elastic peak Δ peak elastic peak Δ peak

Toroidal magnet spectrometer current [A] Toroidal magnet spectrometer current [A]

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡ 34 ¡

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SLIDE 35

Δ ¡Elas=c ¡Form ¡Factors ¡ ¡

Nuruzzaman ¡ 35 ¡

There are 4 elastic form factors (spin 3/2) GE0(Q2), GM1(Q2), GE2(Q2), GM3(Q2)

  • J. Segovia et. al. arXiv:1308.5225 (2013)

Q2 = 0 define dimensionless multipole moments

  • GE0(0) = eΔ

charge

  • GM1(0) ∝ µΔ

magnetic moment

  • GE2(0) ∝ DΔ

dipole moment

  • GM3(0) ∝ OΔ
  • ctopole moment

B Pasquini, private communication

New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

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SLIDE 36

Asymmetry ¡is ¡Diluted ¡by ¡Elas=c ¡Radia=ve ¡Tail ¡

Nuruzzaman ¡ 36 ¡ New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

  • The extraction of Bn depends strongly on the elastic dilution
  • Careful study is ongoing to reduce uncertainty in fel

Plot to illustrate the dependence of Bn on fel

Simplifying* the extraction equation ¡

(* for illustrative purposes)

0.214×43 ppm = 9.2 ppm ≈ (5.1/0.875) - 0.70×(-5.1) - 0.3 = 5.8 - (-3.6) - 0.3 ppm

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SLIDE 37

Summary ¡of ¡Measurements ¡

Nuruzzaman ¡ 37 ¡ New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

N + π N + 2π D13 F15 ...

PVA4 Q-weak SOLID

Higher beam energies allow more intermediate states

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SLIDE 38

Why ¡Bn=0 ¡at ¡θ=0 ¡? ¡

Nuruzzaman ¡ 38 ¡ New ¡Perspec=ves ¡2015, ¡Fermilab ¡

σ − σ ∝ 2me Q εL ε (1-ε) = 2me Q Q ν (1-ε)

1/2

Q ν = 2me ν (1-ε) νel = 0.013 νin = 0.348 νmin = 300 MeV + K. E.

Private communication with Carl Carlson

(1-ε) = ε(1/ε-1) ε-1 = 1+ 2 ν2 Q2 1+ tan2 θe 2 = 2ε ν2 Q2 1+ tan2 θe 2 Bn = 2T1γ × Im T2γ |T1γ| σ − σ σ + σ = ν = KŸP

K is the average incoming four-momenta of the electron P is the average outgoing four-momenta of the proton

= ν2 Q2 1+ tan2 θe 2 ν 4meε