Authors:	Wilfert, Malte Christian
Title:	Investigation of the spin structure of the nucleon at the COMPASS experiment
Online publication date:	16-Aug-2017
Year of first publication:	2017
Language:	english
Abstract:	The spin structure of the nucleon is studied at the COMPASS experiment. Their subject is of special interest since the surprising findings of the European muon collaboration (EMC) that the contribution from the quark spins to the nucleon spin is rather small. This finding started the search for the various contributions to the nucleon spin. Their contributions are given by the spins of the quarks and gluons and their orbital angular momenta, where the contribution from the quark spins is about 30%. At the COMPASS experiment, a polarised muon beam is scattered off a polarised fixed target made out of either lithium deuteride or ammonia. In such reactions, the longitudinal double spin asymmetry and the spin-dependent structure function are measured. The longitudinal double spin asymmetry is obtained in two different kinematic regions. At low photon virtualities, Q^2 < 1 (GeV/c)^2, precise results are obtained from the data taken in 2007 and 2011 using ammonia as a polarised proton target. The results show a small asymmetry of about 1%, which differs from zero, even at very small Bjorken-x. This is the first observation of spin effects at such low Bjorken-x. At high photon virtualities, Q^2 > 1 (GeV/c)^2, the results for the asymmetry obtained from the 2006 and 2011 data taking are presented. The results from the 2006 data taking improve the statistical precision of the spin-dependent structure function of the deuteron. For the 2011 data taking, the nominal beam momentum was increased from 160 GeV/c to 200 GeV/c. This extends the kinematic range towards lower Bjorken-x and higher photon virtualities. These results complete the previous results for the spin-dependent structure function of the proton using the data taken in 2007. The results on the spin-dependent structure function are used together with the world data on the spin-dependent structure function of the proton, deuteron and neutron measured in deep inelastic scattering in a QCD fit to obtain the parton helicity distributions. They can be interpreted similar as the parton distribution function, which describe the momentum fraction carried by quarks within a certain Bjorken-x range dx. The parton helicity distributions describe the contribution from the quark spins to the total nucleon spin within dx. From the QCD fit, the contribution from the quark spins to the total spin of the nucleon is obtained as well as the the contributions from the various quark flavours. The measured results on the spin-dependent structure functions are also used to evaluate their first moments, int_0^1 g_1(x,Q^2) dx. They are used to test QCD sum rules like the Bjorken and the Ellis-Jaffe sum rule. A violation of the Ellis-Jaffe sum rule is already known since the surprising results from EMC and was confirmed by various experiments. The Bjorken sum rule is of special interest since it connects the non-singlet structure function, g_1^NS = g_1^p - g_1^n, with the ratio g_A/g_V. Further on the evolution of the non-singlet structure function is independent of the poorly known gluon helicity distribution. Here, the Bjorken sum rule is confirmed at the level of 9%. The first moment of the spin-dependent structure function of the deuteron allows for the determination of the singlet axial charge a_0 = 0.32 +/- 0.02_{stat} +/- 0.04_{syst} pm 0.05_{evol}, which is identified with the contribution from the quark spins to the total nucleon spin in the MSbar scheme. Am COMPASS-Experiment wird die Spinstruktur des Nukleons untersucht. Diese ist von besonderen Interesse seit der überraschenden Entdeckung durch die europäische Myonkollaboration (EMC), dass nur ein kleiner Teil des Nukleonspins von den Spins der Quarks stammt. Mit dieser Entdeckung begann die Suche nach den verschiedenen Bestandteilen. Diese sind durch die Spins der Quarks und Gluonen sowie deren Bahndrehimpulsen gegeben, wobei der Beitrag der Quarks etwa 30% beträgt. Am COMPASS-Experiment wird für diese Untersuchung ein polarisierter Myonstrahl und ein polarisiertes Lithiumdeuterid- oder Ammoniaktarget genutzt. Aus diesen Messungen wurden die longitudinalen Doppelspinasymmetrien zusammen mit den spinabhängigen Strukturfunktionen bestimmt. Die longitudinale Doppelspinasymmetrie wurde in zwei verschiedenen kinematischen Bereichen gemessen. Bei niedrigen Photonvirtualitäten, Q^2 < 1 (GeV/c)^2, wurde die Asymmetrie aus den Daten von 2007 und 2011 bestimmt, wobei Ammoniak als Target mit polarisierten Protonen verwendet wurde. Die Ergebnisse zeigen eine kleine, von null verschiedene Asymmetrie von 1% auch bei sehr kleinen Bjorken-x. Bei hohen Photonvirtualitäten, Q^2 > 1 (GeV/c)^2, wurde die spinabhängige Strukturfunktion des Deuterons aus den Daten von 2006 bestimmt. Diese Ergebnisse verbessern die statistische Genauigkeit der bisherigen COMPASS Messung. Für die Messung in Jahr 2011 wurde die Strahlenergie von 160 GeV auf 200 GeV erhöht. Dadurch konnte die spinabhängige Strukturfunktion des Protons bei noch kleineren Bjorken-$x$ und größeren Photonvirtualitäten gemessen werden. Diese Messung vervollständigen die vorherige Messung bei 160 GeV. Die Ergebnisse der spinabhängigen Strukturfunktionen wurden zusammen mit den Weltdaten zur spinabhängigen Strukturfunktion des Proton, des Deuteron und des Neutron in einem QCD fit verwendet, um die Partonhelizitätsverteilungen zu bestimmen. Diese können ähnlich wie die Partonverteilungen interpretiert werden, die den Impulsbruchteil, der von Quarks innerhalb eines bestimmten Bjorken-x Bereichs dx getragen wird, angeben. Die Partonhelizitätsverteilungen hingegen geben den Beitrag zum Nukleonspin in so einem Intervall dx an. Zudem wurde der gesamte Beitrag der Quarkspins sowie der der einzelnen Quark-Flavour zum Nukleonspin aus diesem Fit bestimmt. Aus den Ergebnissen der spinabhängigen Strukturfunktionen wurden auch die ersten Momente, int_0^1 g_1(x,Q^2) dx, der Strukturfunktionen bestimmt. Diese wurden zum Prüfen von QCD Summenregeln, wie der Bjorken- oder Ellis-Jaffe-Summenregel, verwendet. Eine Verletzung der Ellis-Jaffe-Summenregel ist bereits seit Ergebnissen von EMC bekannt und wurde seitdem durch weitere Messungen bestätigt. Die Bjorken-Summenregel verbindet die non-singlet Strukturfunktion, g_1^NS = g_1^p - g_1^n, mit dem Verhältnis g_A/g_V. Zusätzlich ist die Abhängigkeit von der Photonvirtualität dieser Strukturfunktion von der wenig bekannten Gluonhelizitätsverteilung unabhängig. Die Bjorken-Summenregel wurde mit einem Fehler von 9% bestätigt. Das erste Moment der spinabhängigen Strukturfunktion des Deuterons wurde auch verwendet, um die axiale singlet Ladung a_0 = 0.32 +/- 0.02_{stat} +/- 0.04_{syst} pm 0.05_{evol} zu bestimmen. Diese gibt im MSbar Schema den Beitrag der Quarkspins zum Nukleonspin an.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2527
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000014571
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	X, 227 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen