[論文レビュー] PRad-II: A New Upgraded High Precision Measurement of the Proton Charge Radius

A. Gasparian, H. Gao+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2020

Atomic and Molecular Physics参考文献 48被引用数 20

ひとこと要約

PRad-IIは、統計的精度の向上、GEMトラッカーの導入、PbWO₄キャロリメータへのアップグレード、およびQ² = 10⁻⁵ GeV²までカバレッジを拡大することで、全体の不確実性を0.43%に抑える次世代の電子-陽子散乱実験を提案する。これはPRadの3.8倍の精度であり、電子散乱とミュオン水素の結果の間にある乖離を検証し、素粒子物理学における重要な論争を解消する。

ABSTRACT

The PRad experiment has credibly demonstrated the advantages of the calorimetric method in e-p scattering experiments to measure the proton root-mean-square (RMS) charge radius with high accuracy. The PRad result, within its experimental uncertainties, is in agreement with the small radius measured in muonic hydrogen spectroscopy experiments and it was a critical input in the recent revision of the CODATA recommendation for the proton charge radius. Consequently, the PRad result is in direct conflict with all modern electron scattering experiments. Most importantly, it is 5.8% smaller than the value from the most precise electron scattering experiment to date, and this difference is about three standard deviations given the precision of the PRad experiment. As the first experiment of its kind, PRad did not reach the highest precision allowed by the calorimetric technique. Here we propose a new (and) upgraded experiment -- PRad-II, which will reduce the overall experimental uncertainties by a factor of 3.8 compared to PRad and address this as yet unsettled controversy in subatomic physics. In addition, PRad-II will be the first lepton scattering experiment to reach the Q^2 range of 10^{-5} GeV^2 allowing a more accurate and robust extraction of the proton charge radius. The muonic hydrogen result with its unprecedented precision (~0.05%) determines the CODATA value of the proton charge radius, hence, it is critical to evaluate possible systematic uncertainties of those experiments, such as the laser frequency calibration that was raised in recent review articles. The PRad-II experiment with its projected total uncertainty of 0.43% could demonstrate whether there is any systematic difference between $e-p$ scattering and muonic hydrogen results. PRad-II will establish a new precision frontier in electron scattering and open doors for future physics opportunities.

研究の動機と目的

• 電子散乱結果（例：Mainz 2010）とミュオン水素分光法の結果の乖離を検証することで、プロトン半径のパズルを解消する。
• 統計的精度の向上と検出器のアップグレードにより、PRad実験と比較して全体の不確実性を3.8倍小さくする。
• レプトン散乱実験を、初めて10⁻⁵ GeV²の最小Q²範囲まで拡大し、プロトン電荷半径のより信頼性の高い抽出を可能にする。
• e⁻-p散乱とμ⁻-H結果の間の系統的差異、特に放射補正やレーザーキャリブレーションに関する差異を調査する。
• ビームラインのバックグラウンド低減と検出器の均一性・キャリブレーションの向上により、電子散乱における新たな高精度のフロンティアを確立する。

提案手法

• PRadよりも1桁以上多くの統計的データを収集し、特に高Q²領域で統計的不確実性を4分の1に低減する。
• 新たなGEM座標検出器を導入し、相互作用の頂点を再構築し、特に小さな散乱角（0.5–0.7°）でのビームラインバックグラウンドを抑制する。
• HyCalキャロリメータを全PbWO₄シンチレーター配列にアップグレードし、エネルギー分解能と均一性を向上させ、エネルギー損失の正確な測定を実現する。
• FASTBUSベースの読み出しシステムをフラッシュADCシステムに置き換え、データ取得速度を7倍に向上させ、必要なビーム時間の短縮を図る。
• タッガーの上流に第2のビームハローブロッカーを設置し、ビームラインの真空を改善することで、さらにビーム関連のバックグラウンドを低減する。
• epおよびee散乱プロセスのための洗練された放射補正を実装し、抽出された半径における系統的不確実性を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PRad-IIは、PRadの結果と最も精度の高い電子散乱実験（Mainz 2010）との間にある5.8%の乖離を、予測される不確実性内に解消できるか？
• RQ2 e⁻-p散乱とμ⁻-H分光法の結果の間に、特に放射補正やレーザーキャリブレーションの文脈で系統的差異があるか？
• RQ3 電子散乱を用いてQ² ≈ 10⁻⁵ GeV²で、どの程度高い精度でプロトン電荷半径を抽出できるか？
• RQ4 検出器の均一性、トラッキング、ビームバックグラウンド抑制の改善が、半径抽出の頑健性と正確性にどのように影響するか？
• RQ5 PRad-II実験は、ミュオン水素から導かれたCODATAのプロトン電荷半径値を確認するのか、それとも新しい物理学を明らかにするのか？

主な発見

• PRad-IIの予測される全体の不確実性は0.43%であり、元のPRad実験と比較して3.8倍の低減である。
• 実験は、ターゲットから25 cm下流に中央に穴があいたクロス形状のシンチレーター検出器を用いることで、レプトン散乱で最も低いQ²カバレッジ（10⁻⁵ GeV²）を達成する。
• モックデータのシミュレーションでは、G_E^p(Q²)に有理関数（1,1）形式のフィットを適用した結果、rp = 0.8314 ± 0.0017 fmのプロトン電荷半径が抽出された。
• 系統的不確実性はPRadと比較して3.6倍低減されており、主に統計的精度の向上、トラッキングの改善、検出器の均一性向上によるものである。
• アップグレードされたフラッシュADCデータ取得システムにより、データ取得速度が7倍に向上し、短時間でデータ収集が可能になる。
• 統計的精度の向上、バックグラウンド抑制の改善、洗練された放射補正の組み合わせにより、半径抽出における統計的および系統的不確実性が顕著に低減される。