[論文レビュー] Measurement of the neutron timelike electromagnetic form factor with the SND detector

SND Collaboration, М. Н. Ачасов+33 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2023

Nuclear Physics and ApplicationsPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、VEPP-2000 $e^+e^-$ コライダーにおける非磁性SND検出器を用いて、$e^+e^- \to n\bar{n}$断面積を測定することで、中性子の時空的電磁形式因子の高精度な測定を実施した。前回のSND測定と比較して4倍の統合 luminosity を得たことで、統計的精度が2倍、系統的精度が1.5倍向上し、中性子形式因子は閾値で0.398 ± 0.022から2007 MeVで0.2に減少することが明らかになった。これは陽子形式因子よりも顕著に小さいことを確認した。

ABSTRACT

The results of the measurement of the $e^+e^- o n \bar{n}$ cross section and effective neutron timelike form factor are presented. The data taking was carried out in 2020-2021 at the VEPP-2000 $e^+e^-$ collider in the center-of-mass energy range from 1891 to 2007 MeV. The general purpose nonmagnetic detector SND is used to detect neutron-antineutron events. The event selection is performed using the time-of-flight technique. The measured cross section is 0.4-0.6 nb. The neutron form factor in the energy range under study varies from 0.3 to 0.2.

研究の動機と目的

• より高い精度で$e^+e^- \to n\bar{n}$断面積および有効中性子時空的電磁形式因子を測定すること。
• 高出力$e^+e^-$コライダーを用いて、$n\bar{n}$閾値近傍における中性子形式因子測定の不一致を解消すること。
• 前回のSND測定と比較して、中性子検出効率および放射補正の系統的不確実性を低減すること。
• 中性子形式因子を陽子形式因子と比較し、チャイラルクォークモデルの予測を検証すること。

提案手法

• データは、VEPP-2000 $e^+e^-$ コライダーにおいて、中心系エネルギー1891〜2007 MeVの範囲で、非磁性SND検出器を用いて収集された。
• 中性子および反中性子は、遅延したガンマ線シグネチャを示すため、到着時間による時間飛行法を用いて同定された。
• 可視断面積は、$n\bar{n}$ イベント数、統合 luminosity、検出効率から計算され、ビームエネルギー分散および放射効果の補正を施した。
• 放射補正およびビームエネルギー分散は、放射体関数 $W(s,x)$ およびガウス型エネルギー分散関数 $G(E',E)$ を用いてモデル化された。
• 有効形式因子 $|F(s)|^2$ を含むパラメータ化を用いたフィッティングにより、ボーン断面積が抽出された。
• 中性子有効形式因子は、関係式 $\sigma(s) = \frac{4\pi\alpha^2\beta}{3s}(1 + \frac{1}{2\gamma^2})|F(s)|^2$ を用いてボーン断面積から導出された。ここで $|F(s)|^2$ は反中性子運動量に関する2次多項式としてモデル化された。

Figure 1: SND detector, section along the beams: (1) beam pipe, (2) tracking system, (3) aerogel Cherenkov counters, (4) NaI (Tl) crystals, (5) vacuum phototriodes, (6) iron absorber, (7) proportional tubes, (8) iron absorber, (9) scintillation counters, (10) VEPP-2000 focusing solenoids.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子の時空的電磁形式因子のエネルギー依存性は、$n\bar{n}$ 閾値領域でどのように変化するか？
• RQ2 同じエネルギー範囲において、中性子形式因子は陽子形式因子と定量的にどのように異なるか？
• RQ3 VEPP-2000におけるSND検出器を用いた$e^+e^- \to n\bar{n}$断面積測定の精度は何か？また、過去の結果に比べてどの程度向上したか？
• RQ4 放射補正および検出効率の不確実性が、最終的な形式因子抽出にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 測定された$e^+e^- \to n\bar{n}$断面積は、エネルギー範囲1891–2007 MeVで0.4〜0.6 nbの間であり、前回のSND測定と比較して統計的不確実性が2倍低減された。
• 中性子有効形式因子は、閾値で0.398 ± 0.022から最高エネルギーで0.268 ± 0.166に減少し、2次多項式フィットと整合的であった。
• 閾値（$p_n = 0$）における形式因子は $a_0 = 0.398 \pm 0.022$ であり、理論的期待と整合する非ゼロの値であることが示された。
• 中性子形式因子はBABARが測定した陽子形式因子よりも顕著に小さく、閾値近傍での比は約 $\sim 2/3$ に近い値を示した。
• 2007 MeVにおける測定断面積は、最新のBESIII測定と良好に一致しており、新たな高精度が妥当であることを裏付けた。
• 系統的不確実性の主な寄与は検出効率補正であり、luminosity（1%）および放射補正（2%）の寄与も顕著であった。

Figure 2: The time distribution of selected data events (points with error bars) at $E_{b}=945$ MeV (left panel) and at $E_{b}=980$ MeV (right panel). The position $t=0$ corresponds to the moment of beams collision. The wide peak to the right is the contribution of $n\bar{n}$ events. The light-shade