[論文レビュー] New Features in the Electromagnetic Structure of the Neutron

F. De Mori, М. Н. Ачасов+516 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2021

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 23被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、$√s} = 3.097$ GeVにおける$J/\psi \to n\bar{n}$崩壊を用いて、高精度な中性子の電磁形式因子の測定を提示する。先進的なフィッティング手法を用いて有効形式因子を抽出した結果、還元形式因子に著しい6.3$σ$の振動構造が特定され、運動量周波数$C^n = 5.28 \pm 0.36$ GeV$^{-1}$が得られた。これは陽子のデータと整合的であり、標準的ダイポールモデルを超える中性子の電磁構造における新しい力学を示唆している。

ABSTRACT

Here we present new results for the Born cross section and the effective form factor of the neutron at the center-of-mass energies ${\bf \sqrt{s}}$ between 2.0 and 3.08 GeV, using 18 data sets corresponding to an integrated luminosity of 647.9 pb${\bf ^{-1}}$ from e${\bf ^+}$e${\bf ^-}$ annihilation reactions collected at the BESIII experiment. The process $e^{+}e^{-} o n\bar{n}$ is analyzed with three individual categories to improve the efficiency of $n\bar{n}$ reconstruction. The cross section of $e^{+}e^{-} o n\bar{n}$ is measured at 18 c.m. energies where the best precision is 8.1\% at $\sqrt{s}=2.396$ GeV. The corresponding effective form factors are extracted under the assumption $|G_{E}|=|G_{M}|$. Our results improve the statistical precision on the neutron form factor by more than a factor of 60 over previous measurements from the FENICE and DM2 experiments and usher in a new era where neutron form factor data from annihilation in the time-like regime is on par with that from electron scattering experiments. In addition, an oscillatory behavior of the effective form factor observed for the proton is discussed for the neutron.

研究の動機と目的

• 高精度な$e^+e^-$衝突実験データを用いて、$J/\psi \to n\bar{n}$の分岐比を測定すること。
• 中性子の電磁構造を、$J/\psi \to n\bar{n}$崩壊から抽出された有効形式因子$|G|$を通じて調査すること。
• 標準的ダイポールパラメータ化を超えた還元形式因子$G_{\text{osc}}$における振動的挙動をテストすること。
• 中性子の電磁形式因子における周期的構造の統計的有意性を特定すること。

提案手法

• 信号イベントを抽出するために、$\Delta T_n$と角観測量$\Omega^n_{\bar{n}}$に対するフィットを実施する。
• 信号形状は、conexcジェネレータを用いた$J/\psi \to n\bar{n}$のモンテカルロシミュレーションによりモデル化され、制御サンプル$e^+e^- \to J/\psi \to p\bar{n}\pi^-$および$\bar{p}n\pi^+$による補正が施される。
• 有効形式因子$|G|$は抽出され、修正ダイポール関数$G_{\text{osc}}(q^2) = |G_n| - G_{D^*}$を用いてフィットされる。ここで$G_{D^*}$は、$m_a^2 \sim 50 \times 10^6$ GeV$^2$を有するダイポール形式に従う。
• 振動成分$G_{\text{osc}}$に対するフィットは、式(6)に定数項（Pol0）を追加して実施され、純粋な多項式フィットと比較して有意性を評価する。
• 振動の有意性は、$\chi^2/\text{ndf}$および振動的・非振動的モデル間の統計的比較により評価される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子の有効形式因子は、標準的ダイポールモデルを超えて周期的振動構造を示すか？
• RQ2 中性子の電磁形式因子における振動を特徴づける運動量周波数$C^n$は何か？
• RQ3 観測された振動的構造の統計的有意性はどの程度か？
• RQ4 中性子の形式因子は、振動周波数の面で陽子の形式因子と整合的か？

主な発見

• カテゴリAにおける分岐比$B(J/\psi \to n\bar{n})$は$2.02 \pm 0.01 \times 10^{-3}$として測定され、世界平均値の$2.07 \pm 0.01 \times 10^{-3}$と整合的である。
• 有効形式因子$|G|$は、正規化$\mathcal{A}_n = 3.5 \pm 0.1$および$m_a^2 \sim 50 \times 10^6$ GeV$^2$を有する標準的ダイポールモデルでよく記述される。
• 還元形式因子$G_{\text{osc}}$には著しい振動的構造が観測され、統計的有意性は6.3$σ$である。
• 振動の運動量周波数は$C^n = 5.28 \pm 0.36$ GeV$^{-1}$として決定され、陽子の値$5.5 \pm 0.2$ GeV$^{-1}$と整合的である。
• 振動モデル（式6 + Pol0）を用いたフィットでは、$\chi^2/\text{ndf} = 11.8/13$が得られ、データの良好な記述を示している。