[論文レビュー] Measurement of the Nucleon $F^n_2/F^p_2$ Structure Function Ratio by the Jefferson Lab MARATHON Tritium/Helium-3 Deep Inelastic Scattering Experiment

MARATHON Collaboration, D. Abrams+130 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

ジェファーソンラボのMARATHON実験は、トリチウムおよびヘリウム-3核に対する電子の深エネルギーシュリンク散乱を用いて、核子の$F^n_2/F^p_2$ 構造関数比を高精度で測定した。$A=3$核の鏡像対称性を活用することで理論的不確実性を最小限に抑え、$0.19 < x < 0.83$の範囲で高精度な比測定が得られ、$x \to 1$において摂動的QCDおよびクォーク数数え上げ規則と一致し、Kulagin-Petti予測との$χ^2$/dofは0.8であった。

ABSTRACT

The ratio of the nucleon $F_2$ structure functions, $F_2^n/F_2^p$, is determined by the MARATHON experiment from measurements of deep inelastic scattering of electrons from $^3$H and $^3$He nuclei. The experiment was performed in the Hall A Facility of Jefferson Lab and used two high resolution spectrometers for electron detection, and a cryogenic target system which included a low-activity tritium cell. The data analysis used a novel technique exploiting the mirror symmetry of the two nuclei, which essentially eliminates many theoretical uncertainties in the extraction of the ratio. The results, which cover the Bjorken scaling variable range $0.19 &lt; x &lt; 0.83$, represent a significant improvement compared to previous SLAC and Jefferson Lab measurements for the ratio. They are compared to recent theoretical calculations and empirical determinations of the $F_2^n/F_2^p$ ratio.

研究の動機と目的

• 従来のSLACおよびJLab測定と比較して、$F_2$ 構造関数比$F^n_2/F^p_2$ の精度を向上させること。
• トリチウムおよびヘリウム-3核の鏡像対称性を活用することで、$F^n_2/F^p_2$ 抽出における理論的不確実性を低減すること。
• 核子パートン分布関数および少体核構造関数の理論的モデルを制約するための高精度データを提供すること。
• コライダー物理学にとって重要な、大スケールのBjorken $x$ における$(u+\bar{u})/(d+\bar{d})$ パートン分布比の制約を強化すること。
• ダイナミカルな手前の対称性破れおよびクォーク-ダイクォーク相関に基づく現代的QCDモデル予測を検証すること。

提案手法

• 実験はジェファーソンラボホールAでトリチウムおよびヘリウム-3標的に電子を用いた深エネルギーシュリンク散乱を実施し、2台の高分解能分光計で散乱電子を検出する。
• クリオジェニックな低活性トリチウム標的に基づき、中性子構造関数のクリアな測定が可能になった。
• $^3$Hと$^3$Heの間の鏡像対称性を活用して、$F^n_2/F^p_2$ 抽出における多くの理論的不確実性をキャンセルするスーパーレシオ${\cal R}_{ht} = \sigma_t / \sigma_h$ を定義した。
• $F^n_2/F^p_2$ 比は、特にKulaginとPetti（K-P）の予測を用いた$\sigma_t / \sigma_h$ レシオの理論的予測と${\cal R}_{ht}$ を組み合わせることで抽出した。
• 系統的不確実性は、${\cal R}_{ht}$ の不確実性を点対点の$F^n_2/F^p_2$ 不確実性と四乗和で組み合わせることで評価した。
• MARATHON実験の運動学的条件に一致する解析を行い、$0.19 < x < 0.83$ および$F_2$ 構造関数に関連する$Q^2$ 値の範囲のデータをカバーした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $x$ 範囲$0.19 < x < 0.83$ における中性子対陽子$F_2$ 構造関数比$F^n_2/F^p_2$ の正確な値は何か？
• RQ2 $^3$Hと$^3$Heの鏡像対称性が$F^n_2/F^p_2$ 抽出における理論的不確実性をどの程度低減するか？
• RQ3 KulaginとPettiの予測のような現代的理論的予測が、測定された$F^n_2/F^p_2$ 比および$\sigma_t / \sigma_h$ スーパーレシオをどの程度よく記述するか？
• RQ4 $x \to 1$ における$F^n_2/F^p_2$ 比は、摂動的QCDおよびクォーク数数え上げ規則の予測値$3/7 \approx 0.43$ に近づくか？
• RQ5 MARATHONの結果は、以前のSLACおよびJLabホールB BoNuSデータとどのように比較できるか？また、一致の有意性は何か？

主な発見

• MARATHON実験は、$0.19 < x < 0.83$ の範囲で、従来のSLACおよびJLab測定と比較して$F^n_2/F^p_2$ 比の精度を顕著に向上させた。
• 測定された$F^n_2/F^p_2$ 比は、KulaginとPettiの理論的予測と非常に良く一致しており、$χ^2$/dofが0.8であり、高い一貫性を示している。
• MARATHONが測定した$\sigma_t / \sigma_h$ スーパーレシオもK-P予測と良く一致しており、$χ^2$/dofが0.8であり、使用した理論的枠組みの妥当性が裏付けられた。
• 最高の$x$ データポイントは、$x=1$ で0.4から0.5の間の値に近づく傾向にあることが確認され、摂動的QCDおよびクォーク数数え上げ規則と一致している。
• MARATHONの結果は、運動学的条件をMARATHONに合わせて補正したJLabホールB BoNuS実験データと良好に一致している。
• データは、高エネルギー加速器実験の解釈に不可欠な、大スケールの$x$ における$(u+\bar{u})/(d+\bar{d})$ パートン分布比を強く制約している。