[論文レビュー] The ratio of proton's electric to magnetic form factors measured by polarization transfer

The Jefferson Lab Hall A Collaboration, M. Jones|ArXiv.org|Oct 7, 1999

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 369

ひとこと要約

この論文は、ジェファーソンラボの電子-陽子散乱において偏極移行を用いて、陽子の電気的および磁気的形態係数比 $G_{Ep}/G_{Mp}$ の高精度測定を提示している。同時に横方向および縦方向の反動陽子偏極を測定することで、系統的不確かさが低減され、$Q^2$ が 0.5 から 3.5 GeV$^2$ に増加するに従い、$G_{Ep}/G_{Mp}$ が明確かつ系統的に減少することが明らかになった。これは、陽子内での電荷分布と磁化分布の空間的分離を初めて明確に示している。

ABSTRACT

The ratio of the proton's elastic electromagnetic form factors was obtained by measuring the transverse and longitudinal polarizations of recoiling protons from the elastic scattering of polarized electrons with unpolarized protons. The ratio of the electric to magnetic form factor is proportional to the ratio of the transverse to longitudinal recoil polarizations. The ratio was measured over a range of four-momentum transfer squared between 0.5 and 3.5 GeV-squared. Simultaneous measurement of transverse and longitudinal polarizations in a polarimeter provides good control of the systematic uncertainty. The results for the ratio of the proton's electric to magnetic form factors show a systematic decrease with increasing four momentum squared, indicating for the first time a marked difference in the spatial distribution of charge and magnetization currents in the proton.

研究の動機と目的

• 電子-陽子散乱における偏極移行を用いて、$G_{Ep}/G_{Mp}$ の比を、これまでにない精度で測定すること。
• 古くからの SLAC データと最新の結果との間で長年存在した矛盾を解消すること。
• QCDに基づく理論的モデルや有効場理論を含む、核子構造の理論的モデルに対する厳密なテストを行うこと。
• 陽子内の電荷および磁化の空間的分布を調べ、それらの半径依存性の違いを明らかにすること。
• 一般化部分子分布（GPDs）を用いた核子スピン構造の未来の研究の基盤を築くこと。

提案手法

• 反応 $\vec{e}p \rightarrow e\vec{p}$ において偏極移行技術を用い、反動陽子偏極の横方向（$P_t$）および縦方向（$P_\ell$）成分を測定した。
• 比 $G_{Ep}/G_{Mp}$ は $P_t / P_\ell$ に直接比例するため、形式的仮定を必要としない形で形態係数比を抽出できる。
• 両方の偏極成分を同時に検出できる高精度の偏極計を用い、系統的不確かさを最小限に抑えた。
• ジェファーソンラボのハリィAで、高強度電子ビームを用いて $Q^2$ 0.5 から 3.5 GeV$^2$ の範囲で測定を実施した。
• 放射修正および最終状態相互作用の補正には、理論的モデルとモンテカルロシミュレーションを適用した。
• ビームエネルギー、散乱角、検出器応答を考慮した多パラメータフィットを用いて $G_{Ep}/G_{Mp}$ を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.5 から 3.5 GeV$^2$ の範囲で $Q^2$ が増加するに従い、比 $G_{Ep}/G_{Mp}$ はどのように変化するか？
• RQ2 陽子内での電荷分布と磁化分布の空間的分布に顕著な違いが存在するか？
• RQ3 新しいデータは、古くからの SLAC 測定値と最近の結果との間の矛盾を解消できるか？
• RQ4 データが、有効場理論およびQCDに基づく核子構造モデルをどの程度まで制約するか？
• RQ5 形式係数比は、一般化部分子分布（GPDs）を通じて核子スピン構造の理解にどのような手がかりを提供できるか？

主な発見

• $G_{Ep}/G_{Mp}$ の比は、$Q^2$ が増加するに従い系統的に減少し、$Q^2 = 0.5$ GeV$^2$ では約 1.0、$Q^2 = 3.5$ GeV$^2$ では約 0.5 に達する。
• データは、比が一定でないことを明確に示しており、陽子内の電荷分布と磁化分布の空間的広がりが同一ではないことを示唆している。
• $Q^2 \approx 2.5$ GeV$^2$ まで、参考文献 [8] の SLAC データと良好に一致しているが、参考文献 [7] の古くからの SLAC データとは明確に不一致である。
• $Q^2 F_2/F_1$ の比は $Q^2$ に伴い増加を続け、pQCDの漸近的領域における定数値を予測する理論と矛盾している。
• 新しいデータは、特に相対論的構成クォークモデルやクラウド付きバッグモデルに基づく理論的モデルに対して強い制約を課している。
• 結果は、陽子の電荷分布と磁化分布が空間的に分離している可能性を支持しており、磁化分布が中心に集中していると示唆している。