Extraction of Fragmentation Functions from Charged Kaon and Pion Production at COMPASS

Abstract

Quark helicity distributions can be accessed by measuring spin asymmetries in polarised deep-inelastic scattering, but for a full flavour separation the precise knowledge of quark fragmentation functions is essential. Those can only be inferred from experimental data, and are still poorly determined today. The few existing parametrisations of fragmentation functions are derived from world data (mainly on electron-positron annihilation), and often differ considerably, most notably for strange quarks.<br /> This thesis presents an independent evaluation of fragmentation functions from deep-inelastic scattering data recorded at the COMPASS experiment. A method of extraction was developed, based on the relation between hadron multiplicities, r^h(x, z), unpolarised parton distribution functions, q(x), and quark fragmentation functions into hadrons, D_q^h(z). (In this work x stands for the Bjorken scaling variable, and z for the fraction of the quark momentum that is transferred to the produced hadron.) Multiplicities for charged kaons and pions from 2004 data extracted by the COMPASS collaboration and two sets of unpolarised parton distribution functions from global parametrisations (CTEQ6 and MSTW) were used as input for a system of equations, and five different fragmentation functions (D_fav, D_unf for pions and D_str, D_fav, D_unf for kaons) were extracted in four z bins. To evaluate the stability of the results a number of tests was performed, among them limiting the x range of the multiplicities and unpolarised parton distribution functions used for the analysis, and comparing them to results derived with a set of artificial multiplicities generated with the particle physics event generator PYTHIA.<br /> Four of the five extracted fragmentation functions - D_fav and D_unf for both pions and kaons - are quite stable with regard to the parton distribution used as well as to the x range in which the analysis was performed, and agree with an earlier evaluation by the EMC collaboration. The fifth fragmentation function, D_str for charged kaons, shows incompatible results for the different x intervals of the multiplicities used in the analysis, and also differs considerably for the two parametrisations of unpolarised parton distribution functions. The extracted values for D_str are often negative - and therefore physically impossible, and do not agree with predictions from parametrisations.

Helizitätsverteilungen von Quarks im Nukleon lassen sich durch die Messung von Spin-Asymmetrien in polarisierter tiefinelastischer Streuung erforschen, doch für eine komplette Flavourzerlegung ist die genaue Kenntnis von Quark-Fragmentationsfunktionen unerlässlich. Diese können nur aus experimentellen Daten erschlossen werden, und sind noch immer schlecht bestimmt. Die existierenden Parametrisierungen von Fragmentationsfunktionen beruhen größtenteils auf Elektron-Positron-Annihilations-Daten, und unterscheiden sich zum Teil stark voneinander, insbesondere für Strange-Quarks.<br /> In der vorliegenden Arbeit wird eine unabhängige Bestimmung von Fragmentationsfunktionen präsentiert, die auf Daten über tiefinelastische Streuung des COMPASS-Experiments beruht. Es wurde eine Extraktionsmethode entwickelt, die die Beziehung zwischen Hadronmultiplizitäten, r^h(x,z), unpolarisierten Partondistributionsfunktionen, q(x), und Fragmentationsfunktionen D_q^h(z), ausnutzt. (Hierbei steht x für die Bjorken Skalenvariable, und z für den Impulsbruchteil, der vom Quark auf das produzierte Hadron übertragen wird.) Ein Gleichungssystem wurde entwickelt, in dem von der COMPASS-Kollaboration aus 2004er Daten extrahierte Multiplizitäten für geladene Kaonen und Pionen, sowie zwei Parametrisierungen unpolarisierter Partondistributionsfunktionen (CTEQ6 und MSTW) als Eingabedaten verwendet wurden. Es konnten fünf verschiedene Fragmentationsfunktionen (D_fav, D_unf für Pionen und D_str, D_fav, D_unf für Kaonen) in vier z-Intervallen extrahiert werden. Die Stabilität der Ergebnisse wurde überprüft, unter anderem durch Einschränkung des x-Bereichs der in der Analyse verwendeten Multiplizitäten und Partondistributionsfunktionen. Als weiterer Test wurden die experimentellen Multiplizitäten durch künstliche ersetzt, die mit Hilfe des Elementarteilchen-Physik-Generators PYTHIA erstellt wurden, und die Ergebnisse der beiden Extraktionen verglichen. <br /> Die Ergebnisse für vier der fünf extrahierten Fragmentationsfunktionen - D_fav und D_unf für sowohl Pionen als auch Kaonen - sind stabil in Hinsicht auf die verwendeten Partondistributionsfunktionen, und ebenso für die unterschiedlichen x-Bereiche, in denen die Analyse durchgeführt wurde. Sie stimmen überein mit den Ergebnissen einer früheren Extraktion, die von der EMC-Kollaboration durchgeführt wurde. Die extrahierten Werte für die fünfte Fragmentationsfunktion, D_str für geladene Kaonen, sind stark von der verwendeten Parametrisierung der Partondistributionsfunktionen abhängig, und die Ergebnisse für verschiedene x-Intervalle sind nicht miteinander vereinbar. Die Werte für D_str sind in mehreren Fällen negativ - und damit physikalisch unmöglich, und widersprechen den vorhandenen Parametrisierungen.