[논문 리뷰] Nucleon off-shell structure and the free neutron valence structure from A=3 inclusive electron scattering measurements

G. Asryan, J.R. Pybus외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 14.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 헬륨-3와 트리티움에서의 포함 전자산란 데이터를 재평가하여 자유 중성자의 비틀림 쿼크 구조와 나이론의 이완상태 효과를 제약한다. 다양한 핵파동함수와 나이론 수정 모델을 사용하여, 이소스핀 독립적인 가정 하에 $ F_2^n/F_2^p \big|_{x_B\to1} \approx 0.43 \pm 0.04 $의 일관된 중성자-양성자 구조함수 비율을 도출하였으며, 이는 이소스핀 의존성을 포함할 경우, 스칼라 디쿠아크 모델보다 양자점성역학(QCD)과 디슨-슈윙거 방정식 모델을 강하게 지지한다.

ABSTRACT

Understanding the differences between the distribution of quarks bound in protons and neutrons is key for constraining the mechanisms of SU(6) spin-flavor symmetry breaking in Quantum Chromodynamics (QCD). While vast amounts of proton structure measurements were done, data on the structure of the neutron is much more spars as experiments typically extract the structure of neutrons from measurements of light atomic nuclei using model-dependent corrections for nuclear effects. Recently the MARATHON collaboration performed such an extraction by measuring inclusive deep-inelastic electron-scattering on helium-3 and tritium mirror nuclei where nuclear effects are expected to be similar and thus be suppressed in the helium-3 to tritium ratio. Here we evaluate the model dependence of this extraction by examining a wide range of models including the effect of using instant-form and light-cone nuclear wave functions and several different parameterizations of nucleon modification effects, including those with and without isospin dependence. We find that, while the data cannot differentiate among the different models of nuclear structure and nucleon modification, they consistently prefer a neutron-to-proton structure function ratio of at $x_B ightarrow 1$ of $\sim 0.4$ with a typical uncertainty ($1σ$) of $\sim0.05$ and $\sim0.10$ for isospin-independent and isospin-dependent modification models, respectively. While strongly favoring SU(6) symmetry breaking models based on perturbative QCD and the Schwinger-Dyson equation calculation, the MARATHON data do not completely rule out the scalar di-quark models if an isospin-dependent modification exist.

연구 동기 및 목표

• 가벼운 거울 핵에서 자유 중성자의 구조함수를 추출할 때 모델 의존성을 줄이기 위해.
• 나이론 이완상태 효과와 핵파동함수 구성 방식이 중성자-양성자 구조함수 비율에 끼치는 영향을 평가하기 위해.
• MARATHON 협동작업이 $x_B \to 1$ 에서 $F_2^n/F_2^p$ 를 추출하는 데 있어 다양한 나이론 수정 모델에 걸쳐 강인한지 테스트하기 위해.
• 데이터가 유한한 가상성에 따른 나이론 구조 수정의 의존성, 특히 EMC 효과를 제약하는 데 얼마나 기여하는지 평가하기 위해.
• 포괄적 깊은 비탄성 산란(DIS)이 이완상태 나이론 효과를 탐색하는 데 가지는 한계를 규명하고, 동반 관측량인 스펙터터 태깅된 DIS와 같은 보완적 관측량을 제안하기 위해.

제안 방법

• 나이론 이완상태 수정 기능을 $x_B$ 에 따라 매개변수화한 다양한 형태를 사용하여, $^3$He와 $^3$H에서의 MARATHON, BONuS, Seely 포함 $F_2$ 데이터를 분석하기 위해 글로벌 피팅 프레임워크를 적용한다.
• 3He와 3H에서의 다체 효과를 모델링하기 위해 스펙트럼 함수와 빛의 경로 핵파동함수를 모두 사용하며, 추출된 구조함수에 미치는 영향을 평가한다.
• 이소스핀 독립 및 이소스핀 의존성 나이론 수정 기능을 포함하며, 기능 형태는 상수에서 선형까지 다양하며, KP 및 CJ 매개변수화도 포함한다.
• 결합된 나이론의 구조함수를 핵스펙트럼 함수와 콘볼루션하여 $F_2^n/F_2^p$ 비율을 추출하며, 90% 신뢰구간을 사용해 불확실성을 정량화한다.
• 모델 비교를 위해 동일한 데이터 세트를 다양한 구성으로 피팅하고, 다양한 모델 간의 $F_2^n/F_2^p$ 비율 일관성을 평가한다.
• 확률 밀도 함수(PDF)를 반복 피팅을 통해 생성하여 불확실성 전파를 Bayesian 유사 접근법으로 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나이론 이완상태 구조와 핵파동함수의 다양한 모델에 대해 $x_B \to 1$ 에서 추출된 $F_2^n/F_2^p$ 비율은 얼마나 민감한가?
• RQ2 MARATHON 데이터는 결합된 나이론에서 나이론 구조 수정의 가상성 의존성에 대해 어느 정도 제약을 가하는가?
• RQ3 SU(6) 대칭 파괴 모델과 스칼라 디쿠아크 모델 간을 데이터가 구분할 수 있는가?
• RQ4 이소스핀 의존성 나이론 수정은 고 $x_B$ 에서 $F_2^n/F_2^p$ 의 불확실성과 중심값에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 포괄적 깊은 비탄성 산란이 이완상태 나이론 효과를 제약하는 데 가지는 한계는 무엇이며, 어떤 새로운 관측량이 모델 간의 구별을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 이소스핀 독립적인 이완상태 수정 모델 전반에서, MARATHON 데이터는 $x_B \to 1$ 에서 일관된 $F_2^n/F_2^p$ 비율 $0.43 \pm 0.04$ 를 도출한다. 기능 형태에 관계없이 동일하다.
• 이소스핀 의존성 모델의 경우 비율은 덜 제약을 받으며, $x_B \to 1$ 에서 $0.4 \pm 0.1$ 으로 도출되며, 특정 매개변수화에 따라 상당한 변동이 있다.
• MARATHON 데이터의 포함은 $F_2^n/F_2^p$ 비율의 불확실성을 크게 감소시키지만, 이완상태 나이론 수정 기능의 매개변수 제약에는 미미한 영향을 미친다.
• 상수, 선형, KP, CJ 형태를 포함한 모든 테스트 모델이 MARATHON, BONuS, Seely 데이터를 동일하게 잘 기술하며, 이는 모델의 디제너레이션을 시사한다.
• 이소스핀 의존성 나이론 수정이 존재할 경우 스칼라 디쿠아크 모델을 완전히 배제하지는 않지만, 양자점성역학(QCD)과 디슨-슈윙거 방정식 예측을 강하게 지지한다.
• 저 $x_B$ 영역은 $F_2^d$ 데이터 부족으로 여전히 잘 제약되지 않으며, $x_B$-스무딩된 콘볼루션 과정의 성격으로 인해 $x_B \to 1$ 으로의 외삽 정밀도가 제한된다.