[논문 리뷰] e$^+$@JLab White Paper: An Experimental Program with Positron Beams at Jefferson Lab

Alberto Accardi, Andrei Afanasev외 194명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 화이트페이퍼는 조지프슨 랩에서 편광된 및 비편광된 양전자 빔을 사용하여 양성자의 전자기적 구조를 연구하기 위한 실험적 프로그램을 제안한다. 이는 탄성 산란 및 깊이 가벼운 콜로이드 산란을 통해 모델에 의존하지 않는 전자기 형상 인자와 일반화된 파트론 분포(GPD) 측정을 가능하게 한다. 이는 표준모형의 정밀한 검증을 위한 필수 도구로 양전자를 강조하며, 어둠픈 포톤과 렙톤 형상 위반 탐색을 포함한다.

ABSTRACT

Positron beams, both polarized and unpolarized, are identified as essential ingredients for the experimental program at the next generation of lepton accelerators. In the context of the Hadronic Physics program at the Jefferson Laboratory (JLab), positron beams are complementary, even essential, tools for a precise understanding of the electromagnetic structure of the nucleon, in both the elastic and the deep-inelastic regimes. For instance, elastic scattering of (un)polarized electrons and positrons off the nucleon allows for a model independent determination of the electromagnetic form factors of the nucleon. Also, the deeply virtual Compton scattering of (un)polarized electrons and positrons allows us to separate unambiguously the different contributions to the cross section of the lepto-production of photons, enabling an accurate determination of the nucleon Generalized Parton Distributions (GPDs), and providing an access to its Gravitational Form Factors. Furthermore, positron beams offer the possibility of alternative tests of the Standard Model through the search of a dark photon, the precise measurement of electroweak couplings, or the investigation of lepton flavor violation. This white paper discusses the perspectives of an experimental program with positron beams at JLab.

연구 동기 및 목표

• 탄성 산란을 통한 전자 및 양전자 빔을 이용한 양성자 전자기 형상 인자의 모델에 의존하지 않는 결정을 가능하게 한다.
• 편광된 양전자 빔을 사용한 깊이 가벼운 콜로이드 산란(DVCS) 실험을 통해 다양한 진폭 기여를 분리한다.
• 단순한 교차단면 기여 분리를 통해 양성자의 중력 형상 인자를 새로운 탐사 도구로 제공한다.
• 표준모형의 확장, 어둠픈 포톤 탐색 및 렙톤 형상 위반을 탐색한다.
• 미래의 JLab에서 강입자 물리학의 보완적이고 필수적인 도구로 양전자 빔을 정립한다.

제안 방법

• 양성자 타겟에서 전자-양전자 산란 실험에 비편광 및 편광된 양전자 빔을 활용한다.
• 이론적 모델 의존 없이 전자기 형상 인자를 추출하기 위해 탄성 산란 측정을 수행한다.
• 깊이 가벼운 콜로이드 산란(DVCS) 실험을 실시하여 다양한 진폭 기여를 분리한다.
• 전자 및 양전자 산란 진폭 간의 간섭을 활용하여 GPD 및 중력 형상 인자를 고립한다.
• 양전자 빔을 사용한 전환상호작용 측정을 통해 표준모형을 검증한다.
• 양전자 빔 운영 및 탐측을 수용하기 위한 JLab 전용 실험 구성 설계를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 양전자 빔이 양성자 전자기 형상 인자의 모델에 의존하지 않는 결정을 가능하게 하는가?
• RQ2 양전자 빔의 편광은 깊이 가벼운 콜로이드 산란 단면적 기여 분리에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 전자 빔에 비해 양전자 빔을 사용할 경우 일반화된 파트론 분포(GPD) 측정은 어떻게 향상될 수 있는가?
• RQ4 JLab에서의 양전자 빔 실험을 통해 어둠픈 포톤을 탐지할 수 있는 전망은 어떠한가?
• RQ5 양전자 빔은 렙톤 형상 위반 및 전환상호작용 측정에 대해 어떤 방식으로 새로운 제약 조건을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 양전자 빔은 탄성 산란 실험을 통해 양성자 전자기 형상 인자의 모델에 의존하지 않는 결정을 가능하게 한다.
• 전자 및 양전자 산란 진폭 간의 간섭을 통해 깊이 가벼운 콜로이드 산란에서 단순한 단면적 기여 분리를 가능하게 한다.
• 양전자 빔은 일반화된 파트론 분포(GPD) 측정을 통해 직접적으로 양성자의 중력 형상 인자를 탐색할 수 있다.
• 편광된 양전자 빔의 사용은 스핀에 의존하는 구조 함수에 대한 민감도를 향상시키며, 표준모형의 정밀한 검증을 가능하게 한다.
• 양전자 빔은 어둠픈 포톤 탐색 및 전환상호작용 측정에 높은 정밀도로 새로운 길을 열어준다.
• 양전자 빔을 활용한 실험 프로그램은 탄성 및 깊이 비탄성 영역에서의 양성자 구조 이해를 심화하는 데 필수적임이 확인되었다.