[論文レビュー] Comparing proton momentum distributions in $A=3$ nuclei via $^3$He and $^3$H$(e,e'p)$ measurements

R. Cruz-Torres, S. Li+98 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2019

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ひとこと要約

本研究は、非弾性寄与を最小限に抑えるために $x_B > 1$ および $\langle Q^2 \rangle \approx 1.9$ (GeV$/c$)$^2$ の高運動量移行条件下で、$^3$He と $^3$H の陽子運動量分布を $(e,e'p)$ 截面比を用いて比較した。Fermi 運動量 ($k_F \approx 250$ MeV$/c$) を超える運動量領域において、測定された $^3$He/$^3$H 比は PWIA の予測を 20–50% 超えており、最終状態相互作用が無視できる場合、短距離核子-核子相互作用に関する新たな制約が示唆される。

ABSTRACT

We report the first measurement of the $(e,e'p)$ reaction cross-section ratios for Helium-3 ($^3$He), Tritium ($^3$H), and Deuterium ($d$). The measurement covered a missing momentum range of $40 \le p_{miss} \le 550$ MeV$/c$, at large momentum transfer ($\langle Q^2 angle \approx 1.9$ (GeV$/c$)$^2$) and $x_B>1$, which minimized contributions from non quasi-elastic (QE) reaction mechanisms. The data is compared with plane-wave impulse approximation (PWIA) calculations using realistic spectral functions and momentum distributions. The measured and PWIA-calculated cross-section ratios for $^3$He$/d$ and $^3$H$/d$ extend to just above the typical nucleon Fermi-momentum ($k_F \approx 250$ MeV$/c$) and differ from each other by $\sim 20\%$, while for $^3$He/$^3$H they agree within the measurement accuracy of about 3\%. At momenta above $k_F$, the measured $^3$He/$^3$H ratios differ from the calculation by $20\% - 50\%$. Final state interaction (FSI) calculations using the generalized Eikonal Approximation indicate that FSI should change the $^3$He/$^3$H cross-section ratio for this measurement by less than 5\%. If these calculations are correct, then the differences at large missing momenta between the $^3$He/$^3$H experimental and calculated ratios could be due to the underlying $NN$ interaction, and thus could provide new constraints on the previously loosely-constrained short-distance parts of the $NN$ interaction.

研究の動機と目的

• 高運動量移行条件下での $(e,e'p)$ 反応を用いて、$^3$He と $^3$H の陽子運動量分布を測定・比較すること。
• 非弾性過程の寄与を抑えるために $x_B > 1$ および $\langle Q^2 \rangle \approx 1.9$ (GeV$/c$)$^2$ の条件を選択すること。
• A=3 核において、現実的なスペクトル関数を用いた平面波衝撃近似（PWIA）の妥当性を検証すること。
• 実験的比と FSI を補正した計算を比較することで、$^3$He と $^3$H における最終状態相互作用（FSI）の役割を評価すること。
• 高欠落運動量領域でのデータと理論の乖離が、核子-核子（NN）相互作用モデルの限界を反映しているかどうかを調査すること。

提案手法

• 大運動量移行（$\langle Q^2 \rangle \approx 1.9$ (GeV$/c$)$^2$）における $^3$He、$^3$H、および $^3$H の $^3$He に対する $(e,e'p)$ 截面比を測定する。
• 非弾性寄与を抑えるために $x_B > 1$ の運動量条件を選択し、準弾性過程に限定する。
• 現実的なスペクトル関数および運動量分布を用いた PWIA 計算と、実験的截面比を比較する。
• 一般化されたアイコナル近似を用いて最終状態相互作用（FSI）補正を実施し、$^3$He/$^3$H 比への FSI 効果を推定する。
• $^3$He/$^3$H 比を用いて、基礎的な NN 相互作用に起因する PWIA からのずれを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高欠落運動量（$p_{\text{miss}} > 500$ MeV$/c$）領域における $^3$He と $^3$H の陽子運動量分布はどのように比較されるか？
• RQ2 この運動量領域において、最終状態相互作用（FSI）は $^3$He/$^3$H 截面比にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 高運動量領域における測定値と PWIA 計算値の乖離は、現在の NN 相互作用モデルの限界を示唆しているか？
• RQ4 観測されたずれは、核子-核子相互作用の短距離成分を制約するのに役立つか？
• RQ5 PWIA における現実的なスペクトル関数は、高 $Q^2$ 条件下での A=3 核の $(e,e'p)$ データをどの程度よく記述できるか？

主な発見

• Fermi 運動量（$k_F \approx 250$ MeV$/c$）を超える欠落運動量領域において、測定された $^3$He/$^3$H 截面比は、PWIA の予測を 20–50% 超えている。
• $^3$He/$^3$H 比は、3% の不確かさの範囲内で PWIA 計算と一致しており、低〜中程度の運動量領域では整合性が確認された。
• 一般化されたアイコナル近似を用いた FSI 効果の推定によると、$^3$He/$^3$H 比への FSI の寄与は 5% 未満であると予測された。
• 高運動量領域におけるデータと PWIA の 20–50% の乖離は FSI では説明できないため、基礎的な NN 相互作用の役割が示唆される。
• 結果として、従来は緩く制約されていた NN 相互作用の短距離成分に関する新たな制約が得られた。
• データは、$^3$He と $^3$H の運動量分布が高運動量領域で顕著に異なることを示しており、現在の理論的モデルに挑戦するものである。