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

Alberto Accardi, Andrei Afanasev+194 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本白皮书提出在杰斐逊实验室（JLab）开展一项实验计划，利用极化与非极化正电子束研究核子的电磁结构，通过弹性散射和深度虚拟康普顿散射实现电磁形式因子与广义部分子分布（GPDs）的模型无关测量。该计划强调正电子作为精确检验标准模型的工具，包括寻找暗光子和轻子味违反现象。

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.

研究动机与目标

• 通过电子与正电子的弹性散射，实现在无需理论模型依赖条件下的核子电磁形式因子的模型无关确定。
• 通过极化正电子束的深度虚拟康普顿散射（DVCS）实验，获取并精确测量广义部分子分布（GPDs）。
• 通过明确分离截面贡献，为核子引力形式因子提供新的探测手段。
• 探索标准模型的扩展，包括暗光子搜索与轻子味违反现象。
• 确立正电子束作为未来杰斐逊实验室强子物理学研究中互补且关键的工具。

提出的方法

• 在核子靶上开展电子-正电子散射实验，利用非极化与极化正电子束。
• 通过弹性散射测量提取电磁形式因子，避免理论模型依赖。
• 开展深度虚拟康普顿散射（DVCS）实验，以分离不同振幅的贡献。
• 利用电子与正电子散射振幅之间的干涉效应，分离GPDs与引力形式因子的贡献。
• 应用正电子束对电弱耦合的精密测量，以检验标准模型。
• 在JLab设计专用实验构型，以支持正电子束的运行与探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 正电子束如何实现核子电磁形式因子的模型无关确定？
• RQ2 正电子束极化在分离深度虚拟康普顿散射截面贡献中起什么作用？
• RQ3 与电子束相比，正电子束如何改进广义部分子分布（GPDs）的测量？
• RQ4 在JLab通过正电子束实验探测暗光子的前景如何？
• RQ5 正电子束在哪些方面可为轻子味违反与电弱耦合提供新的约束？

主要发现

• 正电子束可通过弹性散射实验实现核子电磁形式因子的模型无关确定。
• 电子与正电子散射振幅之间的干涉效应，使深度虚拟康普顿散射中截面贡献的分离变得明确无误。
• 正电子束可通过广义部分子分布的测量，直接获取核子引力形式因子。
• 使用极化正电子束可增强对自旋依赖结构函数的敏感性，并实现对标准模型的高精度检验。
• 正电子束为寻找暗光子及高精度测量电弱耦合开辟了新途径。
• 正电子束实验计划被认定为推动理解核子结构在弹性与深度非弹性区域发展的关键。