[논문 리뷰] Measurement of the neutron timelike electromagnetic form factor with the SND detector

SND Collaboration, М. Н. Ачасов외 33명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 11.

Nuclear Physics and ApplicationsPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 VEPP-2000 $e^+e^-$ 콘덴서에서 SND 검출기로 $e^+e^- \to n\bar{n}$ 반응 단면적을 측정하여 중성자 시간적 전자기 형상 인자의 고정밀 측정을 제시한다. 이전 SND 측정보다 4배 높은 통합 루미노시티를 확보함으로써 통계적 정밀도는 2배, 체계적 정밀도는 1.5배 향상되었으며, 이로 인해 중성자 형상 인자는 임계값에서 0.398 ± 0.022에서 2007 MeV에서 0.2로 감소함을 확인하였으며, 이는 양성자 형상 인자보다 현저히 작음을 뒷받 드리는 결과이다.

ABSTRACT

The results of the measurement of the $e^+e^- o n \bar{n}$ cross section and effective neutron timelike form factor are presented. The data taking was carried out in 2020-2021 at the VEPP-2000 $e^+e^-$ collider in the center-of-mass energy range from 1891 to 2007 MeV. The general purpose nonmagnetic detector SND is used to detect neutron-antineutron events. The event selection is performed using the time-of-flight technique. The measured cross section is 0.4-0.6 nb. The neutron form factor in the energy range under study varies from 0.3 to 0.2.

연구 동기 및 목표

• 더 높은 정밀도로 $e^+e^- \to n\bar{n}$ 단면적과 효과적 중성자 시간적 전자기 형상 인자를 측정하기 위해.
• 고루미노시티 $e^+e^-$ 콘덴서를 사용하여 $n\bar{n}$ 임계값 근처에서 중성자 형상 인자 측정 간의 모순을 해결하기 위해.
• 이전 SND 측정 대비 중성자 탐지 효율성과 복사 보정의 체계적 불확실성을 감소시키기 위해.
• 중성자 형상 인자를 양성자 형상 인자와 비교하고 초순수 쿼크 모델의 예측을 검증하기 위해.

제안 방법

• VEPP-2000 $e^+e^-$ 콘덴서에서 중심질량 에너지 범위 1891–2007 MeV에서 비자기적 SND 검출기를 사용하여 데이터를 수집하였다.
• 중성자 및 반중성자를 식별하기 위해 시간 도래 기법을 사용하여 지연된 감마선 서명을 기반으로 $n\bar{n}$ 사건을 선별하였다.
• 가시 단면적은 $n\bar{n}$ 사건 수, 통합 루미노시티, 탐지 효율을 바탕으로 계산되었으며, 비드 에너지 분포와 복사 효과 보정을 거쳤다.
• 복사 보정과 비드 에너지 분포는 레이저 함수 $W(s,x)$와 가우시안 에너지 분포 함수 $G(E',E)$를 사용하여 모델링하였다.
• 가시 단면적을 효과적 형상 인자 $|F(s)|^2$를 포함하는 매개변수화 모형으로 피팅하여 보른 단면적을 추출하였다.
• 중성자 효과적 형상 인자는 관계식 $\sigma(s) = \frac{4\pi\alpha^2\beta}{3s}(1 + \frac{1}{2\gamma^2})|F(s)|^2$를 사용하여 보른 단면적에서 유도되었으며, $|F(s)|^2$는 반중성자 운동량에 대한 2차 다항식으로 모델링되었다.

Figure 1: SND detector, section along the beams: (1) beam pipe, (2) tracking system, (3) aerogel Cherenkov counters, (4) NaI (Tl) crystals, (5) vacuum phototriodes, (6) iron absorber, (7) proportional tubes, (8) iron absorber, (9) scintillation counters, (10) VEPP-2000 focusing solenoids.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성자 시간적 전자기 형상 인자의 에너지 의존성은 $n\bar{n}$ 임계값 영역에서 어떻게 되는가?
• RQ2 동일한 에너지 범위에서 중성자 형상 인자는 양성자 형상 인자와 정량적으로 어떻게 비교되는가?
• RQ3 VEPP-2000에서 SND 검출기를 사용한 $e^+e^- \to n\bar{n}$ 단면적 측정의 정밀도는 얼마이며, 이는 이전 결과에 비해 얼마나 향상되었는가?
• RQ4 복사 보정과 탐지 효율 불확실성은 최종 형상 인자 추출에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 측정된 $e^+e^- \to n\bar{n}$ 단면적은 1891–2007 MeV 에너지 범위에서 0.4에서 0.6 nb 사이이며, 이전 SND 측정 대비 통계적 불확실성이 2배 낮아졌다.
• 중성자 효과적 형상 인자는 임계값에서 0.398 ± 0.022에서 최고 에너지에서 0.268 ± 0.166로 감소하였으며, 이는 2차 다항식 피팅과 일치한다.
• 임계값($p_n = 0$)에서의 형상 인자는 $a_0 = 0.398 \pm 0.022$이며, 이는 이론적 기대와 일치하는 비영인 값을 나타낸다.
• BABAR가 측정한 양성자 형상 인자와 비교해 볼 때 중성자 형상 인자는 현저히 작으며, 임계값 근처에서 비율은 약 $\sim 2/3$에 가까운 것으로 나타났다.
• 2007 MeV에서 측정된 단면적은 최신 BESIII 측정과 양호한 일치를 보이며 새로운 정밀도를 검증하였다.
• 체계적 불확실성은 주로 탐지 효율 보정에 기인하며, 루미노시티(1%)와 복사 보정(2%) 기여도도 상당히 크다.

Figure 2: The time distribution of selected data events (points with error bars) at $E_{b}=945$ MeV (left panel) and at $E_{b}=980$ MeV (right panel). The position $t=0$ corresponds to the moment of beams collision. The wide peak to the right is the contribution of $n\bar{n}$ events. The light-shade