[论文解读] The JLab 12GeV Upgrade and the Initial Science Program

Volker Burkert|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 8

一句话总结

JLab 12 GeV 升级提高了电子束能量和亮度，使通过广义部分子分布（GPDs）、横动量分布（TMDs）和电磁形式因子对核子结构实现高精度研究成为可能。该升级实现了夸克-胶子动力学的三维成像，开展对奇特强子的搜索，并通过电 parity 违反过程和重光子搜索探测标准模型之外的物理学。

ABSTRACT

An overview is presented of the upgrade of JLab's cw electron accelerator from a maximum beam energy of currently 6 GeV to 12 GeV. Construction of the 12 GeV upgrade project has started in 2008. A broad experimental program has been developed to map the nucleon's intrinsic correlated spin and momentum distribution through measurements of deeply exclusive and semi-inclusive processes, and to probe the quark and gluon confinement by studying the spectrum of mesons with exotic quantum numbers. Other programs include the forward parton distribution function at large xB, the quark and gluon polarized distribution functions, the measurements of electromagnetic form factors of the nucleon ground state and of nucleon resonance transitions at high Q2, and the exploration of physics beyond the Standard Model in high precision parity violating processes. The 12 GeV electron beam is also well suited to explore quark hadronization properties using the nucleus as a laboratory.

研究动机与目标

• 通过广义部分子分布（GPDs）和横动量分布（TMDs）绘制核子中夸克和胶子在坐标空间和动量空间中的三维分布。
• 通过寻找具有奇特量子数的胶子激发强子（如胶球介子和重子），探究胶子在强子结构中的作用。
• 以前所未有的精度在高 Q² 条件下测量核子的电磁形式因子和部分子分布函数。
• 通过高精度电 parity 违反电子散射和对重光子（A′）的搜索，探索标准模型之外的物理学。
• 利用原子核作为实验室，研究夸克的强子化过程和颜色透明性。

提出的方法

• 利用杰斐逊实验室升级至 12 GeV 的连续波（cw）电子束，实现高亮度和能量分辨率。
• 通过深度独显和半独显深度非弹性散射（DIS）实验，采用偏 polarization 纠缠的电子散射实验以探测 GPDs 和 TMDs。
• 在 Hall A、B 和 D 部署高分辨率谱仪，以高动量和角度分辨率探测末态粒子。
• 开展电 parity 违反电子散射实验（如 Møller 散射、深度非弹性 parity 违反散射），以亚 1% 的精度测量弱混合角。
• 在 Hall B 和 Hall A 中利用专门实验（HPS 和 APEX）搜索窄宽度共振态和长寿命重光子（A′）产生的位移顶点。
• 将实验数据与格点 QCD 模拟和理论建模相结合，提取多维部分子分布并检验动力学模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 广义部分子分布（GPDs）如何描述坐标空间与动量空间中夸克与胶子分布的相关性？
• RQ2 GPDs 和 TMDs 揭示的夸克拉动角动量对核子自旋的贡献是什么？
• RQ3 具有奇特量子数的介子谱是什么？它们是否对应于具有激发胶子自由度的胶球态？
• RQ4 通过电 parity 违反电子散射对弱混合角的高精度测量中，能否探测到标准模型的偏离？
• RQ5 假设存在的重光子（A′）的耦合强度和质量范围是多少，才能解释宇宙射线中观测到的正电子过剩？

主要发现

• 12 GeV 升级首次通过 GPDs 和 TMDs 实现了对核子中夸克与胶子结构的高精度三维成像。
• 高亮度电子散射使我们能够测量在 x 取极端值时的部分子分布，包括携带质子动量超过 80% 的价夸克。
• 该计划全面探测了从夸克禁闭到渐近自由过渡区域中的核子结构，对轨道角动量贡献具有敏感性。
• Hall D 中的实验旨在发现具有奇特量子数的胶球介子，以检验胶子激发的理论模型。
• JLab 的 HPS 和 APEX 实验预计将把对重光子（A′）的搜索覆盖范围扩展至弱耦合和长衰变长度区域，探测新的 BSM 参数空间。
• 通过 Møller 散射和深度非弹性散射对弱混合角 sin²θW 的高精度测量，将使实验不确定度降至亚 1% 水平，从而严格检验标准模型的预测。