[論文レビュー] Possible method to measure the ratio of proton form factors in processes with proton spin transmission

M. V. Galynskiı̆, É. A. Kuraev+1 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、スピン反転を伴うか伴わない状態における弾性電子-陽子散乱断面積を比較することにより、陽子の電気的および磁気的形態係数の二乗比 $G_E^2(Q^2)/G_M^2(Q^2)$ を測定する新しい手法を提案する。この手法は、部分的にスピン極化された陽子を用いた非極化電子の散乱に基づくもので、初期の陽子スピンが最終陽子の運動量方向に極化されているため、スピン反転と非反転の断面積から直接 $G_E^2$ と $G_M^2$ を抽出でき、陽子形態係数測定における矛盾を解消する新しい独立した手法を提供する。

ABSTRACT

The ratio of the squares of the electric and magnetic proton form factors is shown to be proportional to the ratio of the cross sections for the elastic scattering of an unpolarized electron on a partially polarized proton with and without proton spin flip. The initial proton at rest should be polarized along the direction of the motion of the final proton. Similar results are valid for both radiative $ep$ scattering and the photoproduction of pairs on a proton in the Bethe--Heitler kinematics. When the initial proton is fully polarized in the direction of the motion of the final proton, the cross section for the $ep o ep$ process, as well as for the $ep o ep \gamma$ and $\gamma p o e \bar e p$ processes, without (with) proton spin flip is expressed only in terms of the square of the electric (magnetic) proton form factor. Such an experiment on the measurement of the cross sections without and with proton spin flip would make it possible to acquire new independent data on the behavior of $G_E^2(Q^2)$ and $G_M^2(Q^2)$, which are necessary for resolving the contradictions appearing after the experiment of the JLab collaboration on the measurement of the proton form factors with the method of polarization transfer from the initial electron to the final proton.

研究の動機と目的

• JLabの極化移行実験に起因する陽子の電気的および磁気的形態係数測定における持続的な矛盾を解消すること。
• 極化移行に依存しない方法を構築し、スピン反転および非反転断面積を用いて $G_E^2(Q^2)$ と $G_M^2(Q^2)$ を直接測定すること。
• 弾性 $ep$ 散乱および関連過程においてスピン極化陽子を用いた $G_E^2(Q^2)/G_M^2(Q^2)$ の比を測定するための新しい実験的枠組みを提供すること。
• この手法を放射的 $ep$ 散乱およびBethe-Heitler光生成過程へと拡張し、より広範な適用性を確保すること。

提案手法

• この手法は、スピン反転を伴うか伴わない状態における弾性電子-陽子散乱の微分断面積を測定することに依存する。
• 初期の陽子は、最終陽子の運動量方向にスピン極化されている状態に準備され、過程におけるスピン整列を保証する。
• スピン反転と非反転の断面積の比が、$G_E^2(Q^2)/G_M^2(Q^2)$ に比例することを示している。
• 完全に極化された陽子の場合、非反転断面積は $G_E^2(Q^2)$ のみに依存するが、スピン反転断面積は $G_M^2(Q^2)$ のみに依存する。
• この手法は、Bethe-Heitler運動学的条件下での放射的 $ep \to ep\gamma$ および $\gamma p \to e\bar{e}p$ への過程へと拡張されている。
• 理論的導出には、相対論的運動学およびスピン密度行列形式を用い、断面積と形態係数を関連づけている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン反転と非反転の断面積比から、電子-陽子散乱における $G_E^2(Q^2)/G_M^2(Q^2)$ の比を抽出できるか？
• RQ2 初期陽子が最終陽子の運動量方向に完全に極化されている場合、スピン非反転断面積は $G_E^2(Q^2)$ のみに依存するか？
• RQ3 同じ手法を放射的 $ep$ 散乱および光生成過程に適用し、形態係数を抽出できるか？
• RQ4 この手法は、JLabの極化移行実験による陽子形態係数パズルを解消するための独立したデータを提供できるか？

主な発見

• スピン反転と非反転の断面積比は $G_E^2(Q^2)/G_M^2(Q^2)$ に比例し、形態係数比の直接測定が可能になる。
• 初期陽子が最終陽子の運動量方向に完全に極化されている場合、非スピン反転断面積は $G_E^2(Q^2)$ のみに依存する。
• 同様に、完全に極化された状態におけるスピン反転断面積は $G_M^2(Q^2)$ のみに依存する。
• この手法は、弾性 $ep$ 散乱および $ep \to ep\gamma$ や $\gamma p \to e\bar{e}p$ といった放射的過程（Bethe-Heitler運動学的条件下）に適用可能である。
• このアプローチにより、現在の陽子形態係数データにおける矛盾を解消するために不可欠な、$G_E^2(Q^2)$ と $G_M^2(Q^2)$ の新しい独立した実験的測定法が提供される。