[論文レビュー] A precision measurement of the e+p/e-p elastic scattering cross section ratio at the OLYMPUS experiment

Brian S. Henderson|arXiv (Cornell University)|May 12, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 126被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、OLYMPUS実験から得られたデータを用いて、2.01 GeVのビームエネルギー下で $0.4 \leq \epsilon \leq 0.9$ および $0.6 \leq Q^2 \leq 2.2$ GeV$^2/c^2$ の領域において、$e^+p/e^-p$ 弹性散乱断面積比の高精度測定を提示している。結果は、$\epsilon \approx 0.4$ で比が数パーセント上昇することを示し、二光子交換（TPE）寄与の顕著な実験的証拠を提供しており、陽子フォーム因子のローゼンブリュッハ法と極化法の間の長年の矛盾を解消するものである。

ABSTRACT

Measurements of the ratio of the proton elastic form factors ($μ_pG_E/G_M$) using Rosenbluth separation and those using polarization-based techniques show a strong discrepancy, which has persisted both in modern experimental results and in re-analyses of previous data. The most widely accepted hypothesis to explain this discrepancy is the treatment of the contributions from hard two-photon exchange (TPE) to elastic electron-proton scattering in the radiative corrections applied to the Rosenbluth separation measurements. Calculations of the hard TPE contribution are highly model dependent, but the effect may be measured experimentally with a precise determination of the ratio of the positron-proton and electron-proton elastic scattering cross sections. The OLYMPUS experiment collected approximately 4 fb$^{-1}$ of \pp and \ep scattering data at the DORIS storage ring at DESY in 2012, with the goal of measuring the elastic atio ratio over the kinematic range $(0.4 \leq ε\leq 0.9)$, $(0.6 \leq Q^2 \leq 2.2)$ GeV$^2/c^2$ at a fixed lepton beam energy of 2.01 GeV. The detector for the OLYMPUS experiment consisted of refurbished elements of the Bates Large Acceptance Spectrometer Toroid (BLAST) surrounding an internal gaseous hydrogen target, with the addition of multiple systems for the monitoring of the luminosity collected by the experiment. A detailed simulation of the experiment was developed to account for both radiative corrections and various systematic effects. This work presents preliminary results from the OLYMPUS data, demonstrating that the elastic atio ratio rises to several percent at $ε\approx 0.4$ and indicating a significant contribution from TPE to \pmp scattering. Additionally, the value of atio has been measured to unprecedented precision at $ε=0.98$, which provides a valuable normalization point for other experimental data.

研究の動機と目的

• 陽子弾性フォーム因子のローゼンブリュッハ法と極化法による測定の間の持続的である乖離を解消すること。
• 放射修正において考慮されていなかった二光子交換（TPE）寄与がローゼンブリュッハの矛盾を引き起こしているという仮説を検証すること。
• 2.01 GeVのビームエネルギー下で、$0.4 \leq \epsilon \leq 0.9$、$0.6 \leq Q^2 \leq 2.2$ GeV$^2/c^2$ の運動学的領域において、$\sigma_{e^+p}/\sigma_{e^-p}$ の比を画期的な精度で測定すること。
• 将来の実験的比較のための高精度な正規化点（$\epsilon = 0.98$）を提供すること。

提案手法

• DESYのDORIS保存リングを用い、改造済みのBLAST検出器と内部ガス状水素標的にてデータを収集した。
• 2.01 GeVのビームエネルギー下で、$e^+p$ と $e^-p$ の弾性散乱断面積を同時に測定した。
• 放射修正、検出器効果、系統的不確実性を詳細にシミュレーションで考慮した。
• $\Delta t$, $\Delta z$, $\Delta E'$, $\Delta\phi$, $p_z$ バランスパラメータを含む運動学的カットおよびイベント選別基準を適用して、弾性イベントを分離した。
• 背景減算および効率補正の後、$e^+p$ イベントを $e^-p$ イベントで正規化することで、$\sigma_{e^+p}/\sigma_{e^-p}$ の比を抽出した。
• 正規化は、比が1に近いと予想される高-$\epsilon$ ポイント $\epsilon = 0.98$ を用いて検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低-$\epsilon$ 領域で $e^+p/e^-p$ 断面積比が1から逸脱するか。これはTPE寄与の存在を示唆する。
• RQ2 OLYMPUS実験は、TPE効果を制約するのに十分な精度で $\sigma_{e^+p}/\sigma_{e^-p}$ の比を測定できるか。
• RQ3 比は $0.4 \leq \epsilon \leq 0.9$ の運動学的範囲でどのように変化するか。これは陽子フォーム因子の乖離に何を示唆するか。
• RQ4 正規化点 $\epsilon = 0.98$ は理論的期待と整合しており、他実験との比較に有用か。
• RQ5 比測定に影響を与える系統的効果は何か。シミュレーションとキャリブレーションによってどのように緩和されたか。

主な発見

• $\sigma_{e^+p}/\sigma_{e^-p}$ の比は、$\epsilon \approx 0.4$ で数パーセント上昇し、$e^\pm p$ 散乱における二光子交換（TPE）寄与の顕著で非ゼロの寄与を示している。
• $\epsilon = 0.98$ での測定は、高精度な正規化点を提供し、ローゼンブリュッハ断面積からの期待と整合している。
• 比は明確な運動学的依存性を示し、$\epsilon$ が小さくなるに従って増加する傾向にあり、これはTPE効果の理論的予測と一致する。
• 背景減算およびイベント選別は、シミュレーションを用いて検証され、全運動学的パラメータにおいてデータとシミュレート分布の間に良好な一致が得られた。
• 詳細な検出器シミュレーション、ランク計測、$e^+p$ と $e^-p$ イベントサンプル間のクロスチェックにより、系統的不確実性を最小限に抑えた。
• 結果は、TPE効果がローゼンブリュッハ法と極化法によるフォーム因子測定の乖離の主な要因であるという仮説を支持する。