[論文レビュー] Flavor analysis of nucleon electromagnetic form factors

Martin Rohrmoser, Ki Seok Choi+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2011

Superconducting Materials and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ゴールドストーン粒子の交換に基づく相対論的構成クォーク模型（GBE RCQM）を用いて、陽子および中性子のフレーバー分離型電磁形式因子を計算する。このモデルは、ダイクォークやメソン成分を含まず、自発的規約スカラー対称性の破れとローレンツ不変性を組み込んでいる。このモデルは、$Q^2 \sim 3.5$ GeV$^2$ まで、最近の体系的データと驚くほどよく一致する $u$-および $d$-クォーク寄与を予測しており、この領域では三クォークバリオン自由度が支配的であることを示唆している。

ABSTRACT

We have performed an evaluation of the individual up- and down-flavor contributions to the nucleon electromagnetic form factors within a relativistic constituent-quark model. It is found that the theoretical parameter-free predictions agree surprisingly well with recent experimental data from a flavor decomposition of the proton and neutron electromagnetic form factors for momentum transfers up to $Q^2\sim\;$3.5 GeV$^2$. It means that in this regime three-quark valence degrees of freedom dominate and other contributions, such as explicit mesonic effects, can at most play a minor role.

研究の動機と目的

• 陽子の電磁形式因子に対する個々の $u$-および $d$-フレーバー寄与を、調整パラメータのない理論的記述を提供すること。
• 相対論的三クォーク模型が、最近の高精度な体系的データにおけるフレーバー分離型形式因子を再現できるかを検証すること。
• 運動量移動が $Q^2 \sim 3.5$ GeV$^2$ に達する領域における、三クォークバリオン自由度と明示的なメソン的またはダイクォーク的効果の役割を評価すること。
• フレーバー依存の形式因子の振る舞いに基づく、ダイクォーククラスタリングや摂動的QCDの導入に関する解釈の妥当性を検討すること。

提案手法

• 自発的規約スカラー対称性の破れから導かれるハイパーファイン相互作用を有するゴールドストーン粒子交換相対論的構成クォーク模型（GBE RCQM）を用いる。
• ポincare不変性を保証し、電磁カレントの行列要素をフレームに依存しない形で得るために、点形式の相対論的量子力学を用いる。
• 電磁カレントをスペクテーター模型によって構築し、カレント保存則と共変な物理量を保証する。
• サックス形式因子 $G_E^p$, $G_M^p$, $G_E^n$, $G_M^n$ を計算し、電荷対称性の関係を用いて $u$-および $d$-クォーク寄与に分解する。
• クォーク $q = u,d$ に対するディラックおよびパウリ形式因子 $F_1^q$, $F_2^q$ を評価し、それらの比 $F_2^q / F_1^q$ および $F_1^d / F_1^u$, $F_2^d / F_2^u$ を求める。
• 理論的予測を、Catesら（2011年）、Qattanら（2012年）、Diehlら（2013年）の体系的データと、$Q^2 \leq 3.5$ GeV$^2$ の範囲で直接比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 調整パラメータのない相対論的三クォーク模型が、$Q^2 \sim 3.5$ GeV$^2$ まで、陽子および中性子のフレーバー分離型電磁形式因子を再現できるか。
• RQ2 ダイクォークやメソン成分を含まない三クォーク模型から、$q = u,d$ の $F_2^q / F_1^q$ の $Q^2$ 依存性が自然に出現するか。
• RQ3 高 $Q^2$ における $d$-クォーク寄与の $Q^4$ スケーリングは、GBE RCQMによって支持されるのか、それとも体系的解析のアーティファクトであるのか。
• RQ4 ダイクォーククラスタリングを仮定せずに、$d$-クォーク形式因子が $u$-クォーク形式因子よりも速やかに減少する挙動をモデルが説明できるか。
• RQ5 相対論的効果および規約スカラー対称性破れに起因するフレーバー依存のハイパーファイン相互作用が、形式因子の振る舞いをどの程度決定づけているか。

主な発見

• GBE RCQMは、調整パラメータを一切用いずに、$Q^2 \sim 3.5$ GeV$^2$ まで、陽子および中性子のフレーバー分離型電磁形式因子に対する理論的予測を、最近の体系的データと驚くほどよく一致させる。
• このモデルは、$Q^2 \sim 1.5$ GeV$^2$ を超える領域で、陽子および中性子全体とは対照的に、$q = u,d$ について $F_2^q / F_1^q$ の近似的な $Q^2$ 不変性を再現する。
• $d$-クォーク寄与 $F_1^d$ および $F_2^d$ は、$Q^2 \sim 1.5$ GeV$^2$ から $Q^4$ スケーリングを示し、一部の体系的データと整合的であるが、Qattan ら（2012年）の最新分析では確認されていない。
• $u$-クォーク寄与 $F_1^u$ および $F_2^u$ は $Q^4$ スケーリングを示さず、研究範囲内の $Q^2$ 範囲で急激な減少の兆候も見られない。
• GBE RCQMが予測する $F_1^d / F_1^u$ および $F_2^d / F_2^u$ の比は、Cates ら（2011年）および Diehl ら（2013年）の体系的データの範囲内に収まり、後者のデータセットでは $F_2^d / F_2^u$ にわずかな不一致が見られる。
• ダイクォークやメソン成分を含まないモデルがデータを再現できたことから、$Q^2 \sim 3.5$ GeV$^2$ まで、三クォークバリオン自由度が核子構造を支配していることが示唆され、ダイクォーククラスタリングや顕著なメソン的効果を仮定する解釈には疑問が呈される。