[논문 리뷰] Possible method to measure the ratio of proton form factors in processes with proton spin transmission

M. V. Galynskiı̆, É. A. Kuraev외 1명|arXiv (Cornell University)|2008. 05. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 탄성 전자-양성자 산란 단면적을 스핀 플립 유무로 비교함으로써 양성자 전기적 및 자화율 형상인자 제곱의 비율($G_E^2(Q^2)/G_M^2(Q^2)$)을 측정하는 새로운 방법을 제안한다. 이 방법은 비극화된 전자가 부분적으로 극화된 양성자와 산란하는 데 기반하며, 초기 양성자의 스핀이 최종 양성자 운동량 방향으로 극화되어 있어 스핀 플립 및 비플립 단면적에서 직접적으로 $G_E^2$와 $G_M^2$를 추출할 수 있다. 이는 양성자 형상인자 측정의 모순을 해결하는 데 새로운 독립적인 방법을 제공한다.

ABSTRACT

The ratio of the squares of the electric and magnetic proton form factors is shown to be proportional to the ratio of the cross sections for the elastic scattering of an unpolarized electron on a partially polarized proton with and without proton spin flip. The initial proton at rest should be polarized along the direction of the motion of the final proton. Similar results are valid for both radiative $ep$ scattering and the photoproduction of pairs on a proton in the Bethe--Heitler kinematics. When the initial proton is fully polarized in the direction of the motion of the final proton, the cross section for the $ep o ep$ process, as well as for the $ep o ep \gamma$ and $\gamma p o e \bar e p$ processes, without (with) proton spin flip is expressed only in terms of the square of the electric (magnetic) proton form factor. Such an experiment on the measurement of the cross sections without and with proton spin flip would make it possible to acquire new independent data on the behavior of $G_E^2(Q^2)$ and $G_M^2(Q^2)$, which are necessary for resolving the contradictions appearing after the experiment of the JLab collaboration on the measurement of the proton form factors with the method of polarization transfer from the initial electron to the final proton.

연구 동기 및 목표

• JLab의 극화도 전이 실험에서 발생하는 지속적인 양성자 전기적 및 자화율 형상인자 측정 간의 모순을 해결하기 위해.
• 극화도 전이에 의존하지 않는 방법을 개발하여 스핀 플립 및 비플립 단면적을 통해 직접적으로 $G_E^2(Q^2)$와 $G_M^2(Q^2)$를 측정하기 위해.
• 탄성 $ep$ 산란 및 관련 과정에서 스핀 극화된 양성자를 사용하여 형상인자 비율 $G_E^2(Q^2)/G_M^2(Q^2)$를 측정하는 데 새로운 실험적 프레임워크를 제공하기 위해.
• 이 방법을 복사형 $ep$ 산란 및 Bethe-Heitler 광생산 과정으로 확장하여 더 넓은 적용 가능성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 스핀 플립 유무에 따라 탄성 전자-양성자 산란의 미분 단면적을 측정하는 데 기반한다.
• 초기 양성자가 최종 양성자 운동량 방향으로 극화된 상태로 준비되어 있어 과정 동안 스핀 정렬이 보장된다.
• 스핀 플립 유무의 단면적 비율이 $G_E^2(Q^2)/G_M^2(Q^2)$에 비례하는 것으로 나타났다.
• 완전히 극화된 양성자인 경우, 비플립 단면적은 오직 $G_E^2(Q^2)$에만 의존하고, 스핀 플립 단면적은 오직 $G_M^2(Q^2)$에만 의존한다.
• 이 방법은 Bethe-Heitler 조건 하에서의 복사형 $ep \to ep\gamma$ 및 $\gamma p \to e\bar{e}p$ 과정으로 확장된다.
• 이론적 유도는 상대론적 운동학 및 스핀 밀도 행렬 형식을 사용하여 단면적과 형상인자 간의 관계를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자-양성자 산란에서 스핀 플립 대비 비플립 단면적 비율로부터 형상인자 비율 $G_E^2(Q^2)/G_M^2(Q^2)$를 추출할 수 있는가?
• RQ2 초기 양성자가 최종 양성자 운동량 방향으로 완전히 극화되어 있을 경우, 스핀 비플립 단면적이 오직 $G_E^2(Q^2)$에만 의존하는가?
• RQ3 동일한 방법을 복사형 $ep$ 산란 및 광생산 과정에 적용하여 형상인자를 추출할 수 있는가?
• RQ4 이 방법이 JLab 극화도 전이 실험에서 발생하는 양성자 형상인자 수수께끼를 해결하는 데 독립적인 데이터를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 스핀 플립 및 비플립 단면적의 비율은 $G_E^2(Q^2)/G_M^2(Q^2)$에 비례하므로 형상인자 비율을 직접 측정할 수 있다.
• 초기 양성자가 최종 양성자 운동량 방향으로 완전히 극화되어 있을 경우, 비스핀 플립 단면적은 오직 $G_E^2(Q^2)$에만 의존한다.
• 유사하게, 완전히 극화된 경우 스핀 플립 단면적은 오직 $G_M^2(Q^2)$에만 의존한다.
• 이 방법은 탄성 $ep$ 산란뿐 아니라 $ep \to ep\gamma$ 및 $\gamma p \to e\bar{e}p$와 같은 복사형 과정에도 적용 가능하며, Bethe-Heitler 조건 하에서 유용하다.
• 이 방법은 현재의 양성자 형상인자 데이터에서 발생하는 모순을 해결하는 데 핵심적인 새로운 독립적인 실험적 경로를 제공한다.