[論文レビュー] Nucleon off-shell structure and the free neutron valence structure from A=3 inclusive electron scattering measurements

G. Asryan, J.R. Pybus+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2021

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、ヘリウム-3およびトリチウムにおけるMARATHON共同研究の包含的電子散乱データを再評価し、自由中性子の価クォーク構造および核子の非オンシェル効果を制約する。広範な核子波動関数および核子修正モデルを用いて、アイソスピンに依存しない仮定のもとで、$ F_2^n/F_2^p \big|_{x_B\to1} \approx 0.43 \pm 0.04 $ の一貫性のある中性子対陽子の構造関数比が得られた。アイソスピン依存性が含まれる場合、摂動的QCDおよびDyson-Schwinger方程式モデルがスカラー二クォーク状況よりも強く支持される。

ABSTRACT

Understanding the differences between the distribution of quarks bound in protons and neutrons is key for constraining the mechanisms of SU(6) spin-flavor symmetry breaking in Quantum Chromodynamics (QCD). While vast amounts of proton structure measurements were done, data on the structure of the neutron is much more spars as experiments typically extract the structure of neutrons from measurements of light atomic nuclei using model-dependent corrections for nuclear effects. Recently the MARATHON collaboration performed such an extraction by measuring inclusive deep-inelastic electron-scattering on helium-3 and tritium mirror nuclei where nuclear effects are expected to be similar and thus be suppressed in the helium-3 to tritium ratio. Here we evaluate the model dependence of this extraction by examining a wide range of models including the effect of using instant-form and light-cone nuclear wave functions and several different parameterizations of nucleon modification effects, including those with and without isospin dependence. We find that, while the data cannot differentiate among the different models of nuclear structure and nucleon modification, they consistently prefer a neutron-to-proton structure function ratio of at $x_B ightarrow 1$ of $\sim 0.4$ with a typical uncertainty ($1σ$) of $\sim0.05$ and $\sim0.10$ for isospin-independent and isospin-dependent modification models, respectively. While strongly favoring SU(6) symmetry breaking models based on perturbative QCD and the Schwinger-Dyson equation calculation, the MARATHON data do not completely rule out the scalar di-quark models if an isospin-dependent modification exist.

研究の動機と目的

• 軽いミラー核に対する包含的電子散乱から自由中性子の構造関数を抽出する際のモデル依存性を低減すること。
• 核子の非オンシェル効果および核子波動関数の定式化が中性子対陽子の構造関数比に与える影響を評価すること。
• MARATHON共同研究が $x_B \to 1$ で $F_2^n/F_2^p$ を抽出する手法の妥当性を、核子修正の多様なモデルで検証すること。
• データが、核子構造修正の仮想的依存性、特にEMC効果をどれだけ制約できるかを評価すること。
• 包含的ディープインエラスティック散乱（DIS）が非オンシェル核子効果を調べる際の限界を特定し、スパーサー付きDISなどの補完的観測量を提案すること。

提案手法

• MARATHON、BONuS、Seelyの $^3$Heおよび $^3$Hからの包含的 $F_2$ データを、$x_B$ でパrameter化された多様な核子非オンシェル修正関数を用いて分析するため、グローバルフィットフレームワークを採用。
• $^3$Heおよび $^3$Hにおける多体効果を、スペクトル関数およびライトコーン核子波動関数を用いてモデル化し、抽出された構造関数に与える影響を評価。
• アイソスピンに依存しないおよびアイソスピンに依存する核子修正関数を含み、定数から $x_B$ に線形な形まで多様な形態を用い、KPおよびCJパラメータ化も含む。
• 結合核子の構造関数と核子スペクトル関数の畳み込みにより $F_2^n/F_2^p$ の比を抽出し、90%信頼区間を用いて不確実性を定量化。
• 同じデータセットを複数の設定でフィットし、モデル間での $F_2^n/F_2^p$ の一貫性を評価することで、モデル比較を実施。
• 繰り返しフィットに基づく確率分布関数（PDF）を生成することで、不確実性をベイズ的アプローチに近い方法で伝搬。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $x_B \to 1$ における抽出された $F_2^n/F_2^p$ の比は、核子非オンシェル構造および核子波動関数の異なるモデルにどれほど敏感か？
• RQ2 MARATHONデータは、束縛核子における核子構造修正の仮想的依存性をどの程度制約できるか？
• RQ3 データは、SU(6)対称性の破れモデルとスカラー二クォークモデルの間を区別できるか？
• RQ4 アイソスピンに依存する核子修正は、高 $x_B$ における $F_2^n/F_2^p$ の不確実性および中央値にどのように影響するか？
• RQ5 包含的ディープインエラスティック散乱が非オンシェル核子効果を制約する際の限界は何か？また、モデルの区別を改善するための新たな観測量は何か？

主な発見

• アイソスピンに依存しない非オンシェル修正モデルのすべてにおいて、$x_B \to 1$ で $F_2^n/F_2^p$ の比は $0.43 \pm 0.04$ と一貫しており、関数形に依存しない。
• アイソスピンに依存するモデルでは、比はより制約が弱く、$0.4 \pm 0.1$ となるが、特定のパラメータ化に大きく依存する。
• MARATHONデータの組み込みにより $F_2^n/F_2^p$ の比の不確実性は顕著に減少するが、非オンシェル核子修正関数のパrameterの制約にはほとんど影響しない。
• 定数、線形、KP、CJのすべてのテストモデルが、MARATHON、BONuS、Seelyのデータを同程度に良く説明しており、モデルの退化が生じている。
• アイソスピンに依存する核子修正が存在する場合、スカラー二クォークモデルは排除されないが、摂動的QCDおよびDyson-Schwinger方程式の予測が強く支持される。
• 低 $x_B$ 領域は $F_2^d$ データの欠如により poorly constrained であり、$x_B$ にスメアリングされた畳み込みプロセスの性質が、$x_B \to 1$ への外挿精度を制限している。