[論文レビュー] e$^+$@JLab White Paper: An Experimental Program with Positron Beams at Jefferson Lab

Alberto Accardi, Andrei Afanasev+194 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、陽子の電磁構造を研究するため、ジェファーソンラボで偏光および非偏光陽電子ビームを用いた実験的プログラムを提案している。このプログラムにより、弾性散乱および深くバリエーションのあるコムプトン散乱（DvCS）を介して、モデルに依存しない電磁形式因子および一般化パートン分布（GPD）の測定が可能になる。陽電子は、ダークフォトンの探索やレプトンフラバー不変性の検出を含む、標準模型の高精度なテストにおいて不可欠なツールであると強調している。

ABSTRACT

Positron beams, both polarized and unpolarized, are identified as essential ingredients for the experimental program at the next generation of lepton accelerators. In the context of the Hadronic Physics program at the Jefferson Laboratory (JLab), positron beams are complementary, even essential, tools for a precise understanding of the electromagnetic structure of the nucleon, in both the elastic and the deep-inelastic regimes. For instance, elastic scattering of (un)polarized electrons and positrons off the nucleon allows for a model independent determination of the electromagnetic form factors of the nucleon. Also, the deeply virtual Compton scattering of (un)polarized electrons and positrons allows us to separate unambiguously the different contributions to the cross section of the lepto-production of photons, enabling an accurate determination of the nucleon Generalized Parton Distributions (GPDs), and providing an access to its Gravitational Form Factors. Furthermore, positron beams offer the possibility of alternative tests of the Standard Model through the search of a dark photon, the precise measurement of electroweak couplings, or the investigation of lepton flavor violation. This white paper discusses the perspectives of an experimental program with positron beams at JLab.

研究の動機と目的

• 電子および陽電子の弾性散乱を用いて、理論的モデル依存性のない陽子電磁形式因子の決定を可能にする。
• 偏光陽電子ビームを用いた深くバリエーションのあるコムプトン散乱（DVCS）によって、さまざまな振幅からの寄与を分離する。
• 断面積寄与の明確な分離を介して、陽子の重力形式因子を新たなプローブとして提供する。
• 標準模型の拡張、特にダークフォトンの探索およびレプトンフラバー不変性の検出を検討する。
• 将来のハドロン物理学におけるJLabの分野において、陽電子ビームを補完的かつ不可欠なツールとして確立する。

提案手法

• 陽子標的に電子-陽電子散乱実験に非偏光および偏光陽電子ビームを用いる。
• 理論的モデル依存性のない電磁形式因子の抽出を目的とした弾性散乱測定を実施する。
• 深くバリエーションのあるコムプトン散乱（DVCS）実験を実施し、さまざまな振幅からの寄与を分離する。
• 電子および陽電子散乱振幅の干渉を活用して、GPDおよび重力形式因子を分離する。
• 陽電子ビームを用いた電弱結合の高精度測定を応用し、標準模型の検証を実施する。
• JLabにおける陽電子ビーム運用および検出を想定した専用の実験配置を設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして陽電子ビームが、陽子電磁形式因子のモデルに依存しない決定を可能にするか？
• RQ2 陽電子ビームの偏光が、深くバリエーションのあるコムプトン散乱断面積への寄与の分離において果たす役割は何か？
• RQ3 電子ビームと比較して、どのようにして陽電子ビームを用いることで一般化パートン分布（GPD）の測定を向上させられるか？
• RQ4 JLabにおける陽電子ビーム実験でダークフォトンを検出する見込みは何か？
• RQ5 陽電子ビームは、レプトンフラバー不変性および電弱結合に対する新たな制約をどのように提供するか？

主な発見

• 陽電子ビームは、弾性散乱実験を介して、陽子電磁形式因子のモデルに依存しない決定を可能にする。
• 電子および陽電子散乱振幅の干渉により、深くバリエーションのあるコムプトン散乱における断面積寄与の明確な分離が可能になる。
• 陽電子ビームは、一般化パートン分布の測定を介して、陽子の重力形式因子への直接的なアクセスを提供する。
• 偏光陽電子ビームの使用により、スピンに依存する構造関数への感受性が向上し、標準模型の高精度なテストが可能になる。
• 陽電子ビームは、ダークフォトンの探索および電弱結合の高精度測定のための新たな道筋を開く。
• 陽電子ビームを用いた実験プログラムは、弾性および深くバリエーションのある散乱領域における陽子構造の理解を進める上で不可欠であると特定された。