[논문 리뷰] A precision measurement of the e+p/e-p elastic scattering cross section ratio at the OLYMPUS experiment

Brian S. Henderson|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 126인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 OLYMPUS 실험에서 2.01 GeV 비틀기 에너지로 수집한 데이터를 사용하여 $e^+p/e^-p$ 탄성 산란 단면적 비율의 정밀 측정을 제시한다. 이는 $0.4 \leq \epsilon \leq 0.9$ 및 $0.6 \leq Q^2 \leq 2.2$ GeV$^2/c^2$ 범위에서 이루어졌으며, 결과적으로 $\epsilon \approx 0.4$에서 비율이 몇 퍼센트 수준으로 증가함을 보여주어 두 포톤 교환(TPE) 기여의 직접적인 실험적 증거를 제공한다. 이는 양성자 형상 인자에 대한 오랜 기간 지속된 Rosenbluth와 극화 기반 측정 간의 괴리 문제를 해결한다.

ABSTRACT

Measurements of the ratio of the proton elastic form factors ($μ_pG_E/G_M$) using Rosenbluth separation and those using polarization-based techniques show a strong discrepancy, which has persisted both in modern experimental results and in re-analyses of previous data. The most widely accepted hypothesis to explain this discrepancy is the treatment of the contributions from hard two-photon exchange (TPE) to elastic electron-proton scattering in the radiative corrections applied to the Rosenbluth separation measurements. Calculations of the hard TPE contribution are highly model dependent, but the effect may be measured experimentally with a precise determination of the ratio of the positron-proton and electron-proton elastic scattering cross sections. The OLYMPUS experiment collected approximately 4 fb$^{-1}$ of \pp and \ep scattering data at the DORIS storage ring at DESY in 2012, with the goal of measuring the elastic atio ratio over the kinematic range $(0.4 \leq ε\leq 0.9)$, $(0.6 \leq Q^2 \leq 2.2)$ GeV$^2/c^2$ at a fixed lepton beam energy of 2.01 GeV. The detector for the OLYMPUS experiment consisted of refurbished elements of the Bates Large Acceptance Spectrometer Toroid (BLAST) surrounding an internal gaseous hydrogen target, with the addition of multiple systems for the monitoring of the luminosity collected by the experiment. A detailed simulation of the experiment was developed to account for both radiative corrections and various systematic effects. This work presents preliminary results from the OLYMPUS data, demonstrating that the elastic atio ratio rises to several percent at $ε\approx 0.4$ and indicating a significant contribution from TPE to \pmp scattering. Additionally, the value of atio has been measured to unprecedented precision at $ε=0.98$, which provides a valuable normalization point for other experimental data.

연구 동기 및 목표

• 양성자 탄성 형상 인자의 Rosenbluth 측정과 극화 기반 측정 간 지속적인 괴리를 해결하기 위해.
• 반사 보정에서 고려되지 않은 두 포톤 교환(TPE) 기여가 Rosenbluth 괴리의 원인일 것이라는 가설을 검증하기 위해.
• 0.4 \leq \epsilon \leq 0.9, 0.6 \leq Q^2 \leq 2.2$ GeV$^2/c^2$의 운동역학적 범위에서 $\sigma_{e^+p}/\sigma_{e^-p}$ 비율을 사상 최고의 정밀도로 측정하기 위해.
• 미래의 실험적 비교를 위한 고정밀도 정규화 점 $\epsilon = 0.98$을 제공하기 위해.

제안 방법

• DESY의 DORIS 저장 고리에서 재건된 BLAST 검출기와 내부 가스성 수소 표적을 사용하여 데이터를 수집하였다.
• 실험은 2.01 GeV 비틀기 에너지에서 $e^+p$ 및 $e^-p$ 탄성 산란 단면적을 동시에 측정하였다.
• 반사 보정, 검출기 효과 및 체계적 오차를 고려한 상세한 시뮬레이션을 수행하였다.
• 운동역학적 컷과 이벤트 선택 기준을 적용하여 탄성 이벤트를 분리하였으며, 이는 $\Delta t$, $\Delta z$, $\Delta E'$, $\Delta\phi$, 및 $p_z$ 균형 파라미터를 포함한다.
• 배경 제거 및 효율 보정 후 $e^+p$ 이벤트를 $e^-p$ 이벤트에 정규화하여 $\sigma_{e^+p}/\sigma_{e^-p}$ 비율을 추출하였다.
• 정규화는 $\epsilon = 0.98$에서 높은 $\epsilon$ 지점에서 비율이 1에 가까울 것으로 예상되므로 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저 $\epsilon$ 영역에서 $e^+p/e^-p$ 단면적 비율이 1에서 벗어나는가? 이는 TPE 기여를 시사하는가?
• RQ2 OLYMPUS 실험은 $\sigma_{e^+p}/\sigma_{e^-p}$ 비율을 충분한 정밀도로 측정하여 TPE 효과를 제약할 수 있는가?
• RQ3 비율은 $0.4 \leq \epsilon \leq 0.9$의 운동역학적 범위에서 어떻게 변화하는가? 이는 양성자 형상 인자 괴리 문제에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 $\epsilon = 0.98$에서의 정규화 점은 이론적 예측과 일치하는가? 다른 실험 간 비교에 유용한가?
• RQ5 비율 측정에 영향을 미치는 체계적 오차는 무엇이며, 시뮬레이션과 캘리브레이션을 통해 어떻게 완화되었는가?

주요 결과

• $\sigma_{e^+p}/\sigma_{e^-p}$ 비율이 $\epsilon \approx 0.4$에서 몇 퍼센트 수준으로 증가하여, $e^\pm p$ 산란에서 두 포톤 교환(TPE)의 상당한 비영이 아닌 기여가 있음을 시사한다.
• $\epsilon = 0.98$에서의 측정은 높은 정밀도의 정규화 점을 제공하며, Rosenbluth 단면적에서의 예측과 일치한다.
• 비율은 명백한 운동역학적 의존성을 보이며, $\epsilon$가 감소함에 따라 증가하는 경향을 보이며, 이는 TPE 효과에 대한 이론적 예측과 일치한다.
• 배경 제거 및 이벤트 선택은 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 모든 운동역학적 파라미터에서 데이터와 시뮬레이션 분포 간 양호한 일치를 보였다.
• 세밀한 검출기 시뮬레이션, 루미노시티 모니터링, $e^+p$ 및 $e^-p$ 이벤트 샘플 간의 교차 확인을 통해 체계적 오차를 최소화하였다.
• 결과는 TPE 효과가 Rosenbluth와 극화 기반 형상 인자 측정 간 괴리의 주요 원인일 것이라는 가설을 지지한다.