[論文レビュー] Exciting Nucleons in Compton Scattering and Hydrogen-Like Atoms

Franziska Hagelstein|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Atomic and Molecular Physics参考文献 7被引用数 11

ひとこと要約

本学位論文は、分散理論および素性効果場理論を用いて、陽子半径パズルを解明するために、水素様原子およびコンプトン散乱における核子構造効果を調査する。陽子半径パズルの解消に寄与する、静的極化率のための新しい和則を導出し、電荷半径展開を超えた有限サイズ効果を計算するとともに、陽子半径のスペクトロスコピーからの抽出における不一致を解消する、最初のモデルに依存しない中性子極化率寄与の予測を提供する。

ABSTRACT

This PhD thesis is devoted to the low-energy structure of the nucleon (proton and neutron) as seen through electromagnetic probes, e.g., electron and Compton scattering. The research presented here is based primarily on dispersion theory and chiral effective-field theory. The main motivation is the recent proton radius puzzle, which is the discrepancy between the classic proton charge radius determinations (based on electron-proton scattering and normal hydrogen spectroscopy) and the highly precise extraction based on first muonic-hydrogen experiments by the CREMA Collaboration. The precision of muonic-hydrogen experiments is presently limited by the knowledge of proton structure effects beyond the charge radius. A major part of this thesis is devoted to calculating these effects using everything we know about the nucleon electromagnetic structure from both theory and experiment. The thesis consists of eight chapters. The first and last are, respectively, the introduction and conclusion. The remainder of this thesis can roughly be divided into the following three topics: finite-size effects in hydrogen-like atoms, real and virtual Compton scattering, and two-photon-exchange effects.

研究の動機と目的

• 水素様原子における電荷半径を超えた核子構造効果を計算することで、陽子半径パズルに取り組む。
• 電磁形式因子の分散表現を用いて、水素およびμ子水素における有限サイズ補正を調査する。
• ユニタリティ、因果律、解析性に基づく、コンプトン散乱における準静的極化率のための新しい和則を導出する。
• 二重に虚数のコンプトン散乱およびバリオン素性摂動理論を用いて、μ子原子における二光子交換効果を計算する。
• 軽いμ子原子におけるラムシフトおよびハイパーファイン分裂に対する中性子極化率寄与の、最初のモデルに依存しない予測を提供する。

提案手法

• 核子電磁形式因子の分散表現を用いて、水素様原子における有限サイズ効果を体系的に計算する。
• 量子電磁力学内での弾性チャンネル寄与のための準静的極化率の新しい和則を導出する。
• 明示的なΔ(1232)等スピン状態自由度を含むSU(2)バリオン素性摂動理論を用いて、コンプトン散乱の次次至近オーダー計算を実施する。
• 二重に虚数のコンプトン散乱を用いて、μ子水素、重水素、ヘリウムのスペクトルにおける、一次および二次の(Zα)⁵および(Zα)⁶極化率寄与（Coulomb歪み項を含む）を評価する。
• ハイパーファイン分裂に対する非ボーン二光子交換寄与を、個々のスピン極化率の展開として行い、データと直接比較可能なモデルに依存しない比較を可能にする。
• QCDの大Nc極限を用いて、μ子水素のハイパーファイン分裂におけるΔ(1232)励起効果の取り入れ方を指針とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電荷半径および磁化半径の標準的展開を超えて、水素分光における有限サイズ効果を体系的に計算できるか？
• RQ2 コンプトン散乱における極化率の弾性チャンネル寄与に対する新しい和則の意味は何か？
• RQ3 特にΔ(1232)共鳴からの核子極化率効果は、μ子水素におけるラムシフトおよびハイパーファイン分裂にどのように影響を与えるか？
• RQ4 軽いμ子原子のスペクトルにおける中性子極化率寄与のモデルに依存しない予測は何か？
• RQ5 二光子交換効果、特に中性子π中間子交換およびCoulomb歪み項を含めた場合、陽子半径パズルはどの程度解消されるか？

主な発見

• 電荷半径および磁化半径の標準的展開は、有限サイズ効果を正確に捉えておらず、陽子半径パズルを解消するためのモデル依存の形式因子を構築可能であることが示された。
• 準静的極化率のための新しい和則が導出され、量子電磁力学内での検証がなされ、極化率抽出の厳密な基礎が確立された。
• Δ(1232)自由度を含むSU(2)バリオン素性摂動理論の次次至近オーダー計算により、μ子水素におけるラムシフトおよびハイパーファイン分裂における陽子極化率効果の予測が得られた。
• 軽いμ子原子における中性子極化率効果の、最初のモデルに依存しない予測が得られ、今後の高精度分光実験との直接比較が可能となった。
• Δ(1232)励起は、μ子水素におけるハイパーファイン分裂に顕著な寄与を示し、他の一次項寄与と同程度の大きさを持つことが判明した。
• ハイパーファイン分裂に対する非ボーン二光子交換寄与がスピン極化率の展開として展開され、実験データとの詳細な比較が可能となり、陽子半径抽出の精度が向上した。