Measurement of polarized parton distribution functions (PDF) of the proton is a key experimental knowledge to understand the spin structure of the proton. A measurement of single spin asymmetry of the production cross section of W±/Z bosons in longitudinally polarized proton-proton collision presents a distinctive way to constrain the flavor-separated polarized PDF of quarks of the proton by taking advantage of V-A interactions of weak bosons. This approach is striking to give another measurements of for anti-u and anti-d quark polarized parton distributions in addition to the existing measurements with semi-inclusive polarized deep inelastic scattering experiments that needs to employ the knowledge about fragmentation functions to interpret the experimental results.

In this thesis, the first measurement of longitudinal spin asymmetries of muon production in W±/Z boson decays in longitudinally polarized proton-proton collisions at √s = 500 GeV is presented. The proton-proton collision was produced at the RHIC accelerator, and the data were taken at the PHENIX detector, which covers pseudorapidity region of -2.2 < η < -1.4 and 1.4 < η < 2.4. A likelihood-based analysis was performed to extract W±/Z→μ± signal. As a result, with using single muon events in 16 < pT < 60 GeV/c the cross section of W±→μ± was obtained as

as the combined values of the measurements in two Muon Arms. The major systematic uncertainty comes from MuTr position resolution and the estimation of the shape of hadronic background events at the signal region, and the size of systematic these uncertainties were larger than statistical uncertainty. Still, we conclude that we observed W±→μ± events in the data sample used in this thesis. The above statement is also supported by the result that the obtained cross section was consistent with NLO or higher-order theoretical calculations for both W+ and W-.

Following the extraction of W±/Z→μ± signal, we obtained single spin asymmetry of muons from inclusive W±/Z bosons as

The current uncertainty on ALμ± is highly dominated by statistics and we need more of data to constrain polarized sea quark PDFs. This is the world first measurement of single spin asymmetry of charged leptons from W±/Z bosons at the given pseudorapidity regions.

本論文は、米国ブルックヘブン国立研究所(BNL)の重イオン衝突型加速器RHICにおいて、重心系500GeVでの縦偏極陽子・陽子衝突で生成されたWおよびZボゾンから崩壊したミューオンをPHENIX測定器により測定し、その生成断面積の陽子スピンに対する非対称度を測定したものである。この縦スピン非対称度は、パートンの核子スピンへの寄与、特に深部非弾性散乱では測定できないシークォークの寄与に対して感度を持っている。本研究では、ラピディティが1を超える前後方でのミューオン測定を世界で初めて行った。

第一章において研究全体の概要を紹介した後、第二章ではQCDとパートン模型から始まって、深部非弾性散乱による核子内スピン構造の研究、そして本論文の中心課題である陽子・陽子衝突でのW/Zボゾン生成の測定によるシークォーク偏極分布研究について基礎から解説している。また、これまでの研究の到達点や課題についてもまとめている。第三章ではRHIC加速器とPHENIX測定器について概説し、第四章では本論文の物理解析に使われた事象バーテックスとミューオン飛跡の再構成方法について記述している。論文提出者は測定器の製作・運転や事象再構成には直接関わっていないが、それらに関する十分な知識と理解を持っていることを窺わせる記述となっている。第五章では、ルミノシティと偏極度の測定方法について解説し、データ取得中の測定器の運転状況と取得データのクォリティについてまとめている。

第六章の測定器性能の評価と、第七章におけるZ/Wからのミューオン信号の抽出がこの論文のハイライトである。論文提出者の優れた洞察力と分析能力が各所に窺われる。ミューオンに対するトリガー効率の評価などにおいて特に秀でたデータ解析能力を発揮している。バックグラウンド評価などデータ解析の詳細についてはAppendicesに記されている。バックグラウンドの中からミューオン信号を抽出するのはMaximum Likelihood Fitsで行っている。飛跡検出器の位置分解能やミューオンバックグラウンドの見積りなどに起因する系統誤差を慎重に評価した結果、陽子・陽子衝突で生成されたWボゾンの崩壊に起因するミューオン信号を3シグマ以上で捉えることに成功した。さらに第八章でスピン非対称度を算出し、既存の理論模型による偏極パートン分布と矛盾しないことを示した。最終章では、測定結果がデータの統計量で制限されており、今後さらにデータを取得することにより、統計精度を上げるとともにバックグラウンドの削減を行って測定感度を大きく向上することが可能であると述べられている。今後この論文の成果に基づいて、核子内パートンスピン分布の研究が大きく発展することが期待される。

なお、本論文の内容はPHENIX実験グループによる共同研究であるが、測定器の性能評価と物理データ解析を論文提出者がほぼ独力で行って結果に至ったもので、論文提出者の寄与が本質的であるものと判断する。

したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。