Measurements of the deep inelastic scattering (DIS) have taken essential roles in understanding behavior of quarks and gluons in hadron. They have lead to development of the Quantum Chormodynamics (QCD).

HERA―, which was the first electron/positron - proton (ep) collider constructed at Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY), is the accelerator which enabled the DIS physics at the highest energy. Collision of the lepton beam of 27.5 GeV and the proton beam of 920 GeV gives 318 GeV of a center of mass energy. It enables measurements over a wide kinematic region, to the spatial resolution of 10-18m.

The measurements of the high Q2 (squared momentum transfer) DIS is very important for the proton structure investigation and also for the electroweak (EW) physics. Charged current (CC) DIS is the weak interaction processes by exchanging W±. The weak interaction doesn't conserve parity and CC is purely coupling to left-handed particles.

At HERA , the positron/electron can be longitudinally polarized since the accelerator upgrade during 2001-2002. It is the direct test of the weak interaction to measure CC DIS cross sections against the longitudinal polarisation of the positron/electron beam Pe.

In this study, the charged current cross sections with longitudinal polarised positron were measured by using data collected by ZEUS detector from 2006-2007 and they are 75.2 pb-1 for Pe of 32.9 % and 55.9 pb-1 for Pe of -36.2%.

Inclusive DIS can be expressed by using two of the following Lorentz invariant variables, Bjorken x, inelasticity y and the squared momentum transfer Q2. Bjorken x corresponds to momentum fraction of the proton carried by the struck parton in the naive quark-parton mode.

For measurements of the inclusive DIS, the accurate reconstruction of these three kinematic variables is essential. The kinematic variables must be reconstructed from only hadroriic final state in CC events because the final state lepton is a neutrino whic is undetected. The x, y and Q2 are given by transverse momentum PT,h and longitudina momentum difference E-13,,h which are reconstructed by using only hadron system. Therefore the bias and resolution of reconstruction of Pt,h and E-13.,h were carefully . estimated. The good agreement between data and Monte Carlo (MC) simulation is demonstrated in both bias and resolution.

The CC events are selected and background events are rejected effectively. The undetected neutrino in the final state causes an imbalance in the measured PT as missing transverse momentum. Hence a certain threshold of PT is required of events in order to select CC events.

The main background events are from photoproduction (PHP) processes (Q2- 0 GeV), beam-gas interaction and muons from beam-halo and cosmic rays. The PHP events are rejected by using difference of azimuthal isotropy of hadrons from CC events. The non-ep backgrounds, the beam-gas or muon events are rejected by investigating the vertex, the inconsistency of CAL timing with ep interaction and a fraction of energy deposit on each CAL layer. As a result of the CC event selections, the CC event candidates of 2330 for positive polarization and 822 for negative polarization satisfied all selection criteria. The background contamination is estimated to be around 0.7 % and 1.5 % for positive and negative polarization, respectively. The distribution of the kinematical quantities for data and MCs are compared and it is found that the used MC reasonably describes the data.

The cross sections are measured from the bin-by-bin correction

The sources of the systematic errors considered in this study are CAL energy scale, PHP background normalization, FLT efficiency and efficiency of each selection criterion. A dominant systematic source is found to be the CAL energy scale. The total uncertainty stays around 5% across the whole kinematic region except the largest in the high Q2 bin where it reaches up to nearly 40%. Compared with the statistical error, the systematic error is less than the statistic error in the whole kinematic region.

The measured cross sections in this study were single differential cross sections d σ /dQ2, d σ /dx, dσ /dy , reduced double differential cross sections 〓 /dxdQ2 and total cross sections for Pe of 32.9 % and for Pe of -36.1%. The single differential cross sections showd that their magnitude was different between on the negative and positive polarisation while the shapes of the cross section against each kinematic variable were the same. The parity violation on the weak interaction is clearly demonstrated. The single differential and reduced double - differential cross sections were compared with the standard model predictions and found to be consistent.

The measured total cross sections were as follows,

〓

where captions, stat., syst. and lumi. means the statistical error, uncertainty of the luminosity measurement, estimated total systematic uncertainty.

The measured total cross sections are presented in Fig. 1, together with the previous ZEUS measurements. Compared with the SM which predicts the linear polarization dependence of the CC cross sections, the measured cross sections are consistent with the theory.

Fig 1. The CC DIS cross sections integrated over Q2 ≧ 200 GeV2, which measured at Pe = 32.9% and Pe = -0.362. The SM predictions calculated by HERAPDF1.0 PDFs for e+p and e-p collisions are also described with their uncertainties by the lines with shade band. The closed circles shows the result of this measurement and other markers show the previous ZEUS measurements for e+p or e-p CC scattering.

本論文は10 章からなる。第1 章は導入にあてられており、まず深非弾性散乱の断面積測定の物理的意義が述べられている。特に偏極陽電子を用いることで、より精密に標準模型のテストを行うことが出来ることが述べられている。具体的には右巻き荷電流の存在が確認出来る。次に本論文で使用したデータについての概要が与えられている。最後に論文の構成が示されている。第2 章では理論的枠組みについての解説がされている。深非弾性散乱の運動学について述べた後、レプトン-ハドロン散乱が与える情報であるパートン分布関数に触れている。続いて、QCD と電弱相互作用において荷電流及び中性流深非弾性散乱が新しく与えうる知見について述べている。第3 章は実験セットアップの解説にあてられている。最初にHERA 加速器について述べた後、ZEUS 検出器の概要と、それを構成する個々の検出器やトリガーについて、特に本解析で重要な役割を果たすものの詳細を述べ、最後に偏極度測定の方法について説明している。第4 章は本解析で使用するモンテカルロシミュレーションについて、まずその方法について述べた後、信号事象と背景事象のそれぞれの生成数等について述べている。第5 章は運動学変数の再構成の方法について割り当てられている。解析では荷電流と中性流のデータを用いるが、本論文の主題は荷電流にある。そこで、まず両方の散乱粒子が検出可能な中性流事象を正しく再構成できるようにカロリメータの再構成アルゴリズムの改良を行い、それにより、中性流の実データをより精度よくモンテカルロにより再現できるようにした後、中性流データと荷電流データを同時に再構成する。それにより、ニュートリノを含む荷電流散乱のエネルギースケールを精度よく決定できるようになる。この解析方法を確立したことがまず申請者の貢献度の大きいところである。第6 章では事象選択について述べられている。まず、トリガー条件について述べ、続けて荷電流事象選択の基準を与えた後、背景事象を落とすための選択基準を用意している。背景事象としてはフォトプロダクションや中性流、ダイレプトン事象などをあげている。電子偏極度0.329(-0.362)のデータ75.2pb-1(55.8pb-1)に対し、信号事象2330(822)を得た。MC による背景事象評価は17(12.6)事象であり、高い純度で荷電流事象を選択することに成功している。第7 章では得られた信号事象数から微分断面積及び全断面積を求める手順が詳細に説明されている。第8 章は系統誤差の評価にあてられている。主要な系統誤差の源として、カロリメータのエネルギースケール、トリガー効率、背景事象生成率の規格化、用いられた事象選択基準の効率の不定性などがあげられ、丁寧な評価が行われている。以上の結果が第9 章にまとめられている。陽電子陽子荷電流深非弾性散乱の全断面積、Q2、x、y の一階微分断面積、Q2 とx の二階微分断面積が得られている。統計としては以前に出版されたデータの5 倍を蓄積し、それに応じた統計誤差の改善が見られる。系統誤差は全断面積で2%、一階及び二階微分断面積では広い範囲で10%以下である。これにより、より広い運動学編集領域で精度の高いパートン分布関数の評価が可能になる。地味ではあるが、応用的にはLHC 等で用いられる重要な結果である。最後に標準模型では存在しない右巻きW ボゾンの寄与が偏極度の異なる断面積から評価されている。このデータから右巻きW ボゾンの下限質量が189GeV と与えられた。以前の結果は129.5GeV であり大きく改善している。偏極陽電子を用いた実験の強みを示すいい例だと考えられる。第10 章にはここに記述したような結論がまとめられている。

なお、本論文はZEUS コラボレーションとしての共同研究であるが、本解析の鍵となる運動学変数の決定の方法の確立を行い、また、丁寧な系統誤差評価を行った論文提出者の寄与は十分であると判断する。実際、論文提出者が主要部分を執筆しThe European Physical Journal C に投稿した論文はC70:945-963,2010 として出版されている。

したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。