[论文解读] Possible method to measure the ratio of proton form factors in processes with proton spin transmission

M. V. Galynskiı̆, É. A. Kuraev+1 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本文提出了一种新方法，通过比较存在与不存在质子自旋翻转时的弹性电子-质子散射截面，测量质子电荷形式因子平方与磁性形式因子平方之比（$G_E^2(Q^2)/G_M^2(Q^2)$）。该方法利用非极化电子与部分极化的质子散射，其中初始质子的自旋极化方向与末态质子动量方向一致，从而可直接从自旋翻转与非翻转截面中提取$G_E^2$与$G_M^2$，为解决质子形式因子测量中的差异提供了一条新的独立途径。

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.

研究动机与目标

• 为解决质子电荷形式因子与磁性形式因子测量中长期存在的差异，特别是JLab极化转移实验中出现的张力。
• 开发一种不依赖极化转移的独立方法，通过自旋翻转与非翻转截面直接测量$G_E^2(Q^2)$与$G_M^2(Q^2)$。
• 为利用自旋极化质子在弹性$ep$散射及相关过程中测量比值$G_E^2(Q^2)/G_M^2(Q^2)$提供新的实验框架。
• 将该方法扩展至辐射$ep$散射和Bethe-Heitler光致产额过程，以扩大其适用范围。

提出的方法

• 该方法依赖于测量存在与不存在质子自旋翻转时弹性电子-质子散射的微分截面。
• 初始质子被制备为沿末态质子动量方向极化的状态，确保该过程中的自旋对齐。
• 证明自旋翻转与非翻转截面之比与$G_E^2(Q^2)/G_M^2(Q^2)$成正比。
• 对于完全极化的质子，非翻转截面仅依赖于$G_E^2(Q^2)$，而自旋翻转截面仅依赖于$G_M^2(Q^2)$。
• 该方法被扩展至辐射$ep \to ep\gamma$和$\gamma p \to e\bar{e}p$过程，且在Bethe-Heitler运动学条件下适用。
• 理论推导基于相对论运动学与密度矩阵形式，将截面与形式因子关联起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否从电子-质子散射中自旋翻转与非翻转截面之比提取比值$G_E^2(Q^2)/G_M^2(Q^2)$？
• RQ2 当初始质子完全极化于末态质子动量方向时，质子自旋非翻转截面是否仅依赖于$G_E^2(Q^2)$？
• RQ3 该方法是否可应用于辐射$ep$散射与光致产额过程以提取形式因子？
• RQ4 该方法是否具备提供独立数据以解决JLab极化转移实验中质子形式因子之谜的能力？

主要发现

• 自旋翻转与非翻转截面之比与$G_E^2(Q^2)/G_M^2(Q^2)$成正比，从而可直接测量形式因子比值。
• 当初始质子完全极化于末态质子动量方向时，非自旋翻转截面仅依赖于$G_E^2(Q^2)$。
• 类似地，在完全极化情况下，自旋翻转截面仅依赖于$G_M^2(Q^2)$。
• 该方法适用于弹性$ep$散射以及辐射过程，如$ep \to ep\gamma$和$\gamma p \to e\bar{e}p$，且在Bethe-Heitler运动学条件下成立。
• 该方法为测量$G_E^2(Q^2)$与$G_M^2(Q^2)$提供了新的、独立的实验路径，对解决当前质子形式因子数据中的差异至关重要。