[论文解读] A precision measurement of the e+p/e-p elastic scattering cross section ratio at the OLYMPUS experiment

Brian S. Henderson|arXiv (Cornell University)|May 12, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 126被引用 3

一句话总结

本文利用 OLYMPUS 实验在 2.01 GeV 束流能量下采集的数据，对 $e^+p/e^-p$ 弹性散射截面比进行了高精度测量，测量范围为 $0.4 \leq \epsilon \leq 0.9$ 和 $0.6 \leq Q^2 \leq 2.2$ GeV$^2/c^2$。结果表明，在 $\epsilon \approx 0.4$ 处，该比值上升至百分之几，为显著的两光子交换（TPE）贡献提供了直接实验证据，解决了质子电磁形式因子测量中长期存在的 Rosenbluth 与极化测量方法之间的差异问题。

ABSTRACT

Measurements of the ratio of the proton elastic form factors ($μ_pG_E/G_M$) using Rosenbluth separation and those using polarization-based techniques show a strong discrepancy, which has persisted both in modern experimental results and in re-analyses of previous data. The most widely accepted hypothesis to explain this discrepancy is the treatment of the contributions from hard two-photon exchange (TPE) to elastic electron-proton scattering in the radiative corrections applied to the Rosenbluth separation measurements. Calculations of the hard TPE contribution are highly model dependent, but the effect may be measured experimentally with a precise determination of the ratio of the positron-proton and electron-proton elastic scattering cross sections. The OLYMPUS experiment collected approximately 4 fb$^{-1}$ of \pp and \ep scattering data at the DORIS storage ring at DESY in 2012, with the goal of measuring the elastic atio ratio over the kinematic range $(0.4 \leq ε\leq 0.9)$, $(0.6 \leq Q^2 \leq 2.2)$ GeV$^2/c^2$ at a fixed lepton beam energy of 2.01 GeV. The detector for the OLYMPUS experiment consisted of refurbished elements of the Bates Large Acceptance Spectrometer Toroid (BLAST) surrounding an internal gaseous hydrogen target, with the addition of multiple systems for the monitoring of the luminosity collected by the experiment. A detailed simulation of the experiment was developed to account for both radiative corrections and various systematic effects. This work presents preliminary results from the OLYMPUS data, demonstrating that the elastic atio ratio rises to several percent at $ε\approx 0.4$ and indicating a significant contribution from TPE to \pmp scattering. Additionally, the value of atio has been measured to unprecedented precision at $ε=0.98$, which provides a valuable normalization point for other experimental data.

研究动机与目标

• 解决质子弹性形式因子的 Rosenbluth 与极化测量方法之间长期存在的差异问题。
• 检验未计入的两光子交换（TPE）修正在辐射修正中导致 Rosenbluth 差异的假设。
• 在 $0.4 \leq \epsilon \leq 0.9$、$0.6 \leq Q^2 \leq 2.2$ GeV$^2/c^2$ 的运动学范围内，以前所未有的精度测量 $\sigma_{e^+p}/\sigma_{e^-p}$ 比值。
• 在 $\epsilon = 0.98$ 处提供一个高精度归一化点，以供未来实验比较。

提出的方法

• 数据在 DESY 的 DORIS 存储环上采集，使用经过翻新的 BLAST 探测器和内部气态氢靶。
• 实验在 2.01 GeV 束流能量下同时测量了 $e^+p$ 和 $e^-p$ 弹性散射截面。
• 通过详细模拟考虑了辐射修正、探测器效应和系统误差。
• 应用了运动学截断和事例选择标准以分离弹性事例，包括 $\Delta t$、$\Delta z$、$\Delta E'$、$\Delta\phi$ 和 $p_z$ 平衡参数。
• 在背景扣除和效率修正后，通过将 $e^+p$ 事例归一化至 $e^-p$ 事例，提取了 $\sigma_{e^+p}/\sigma_{e^-p}$ 比值。
• 通过 $\epsilon = 0.98$ 处的高 $\epsilon$ 点验证了归一化，该点的比值预期接近于 1。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低 $\epsilon$ 区域，$e^+p/e^-p$ 截面比是否偏离 1，表明存在 TPE 贡献？
• RQ2 OLYMPUS 实验是否具备足够精度测量 $\sigma_{e^+p}/\sigma_{e^-p}$ 比值，以约束 TPE 效应？
• RQ3 该比值在 $0.4 \leq \epsilon \leq 0.9$ 的运动学范围内如何变化，这对质子形式因子差异问题有何启示？
• RQ4 $\epsilon = 0.98$ 处的归一化点是否与理论预期一致，并可用于跨实验比较？
• RQ5 哪些系统效应影响了比值测量，以及如何通过模拟和标定手段加以缓解？

主要发现

• $\sigma_{e^+p}/\sigma_{e^-p}$ 比值在 $\epsilon \approx 0.4$ 处上升至百分之几，表明在 $e^\pm p$ 散射中存在显著的非零两光子交换（TPE）贡献。
• $\epsilon = 0.98$ 处的测量提供了高精度归一化点，与 Rosenbluth 截面的预期一致。
• 该比值表现出明显的运动学依赖性，随 $\epsilon$ 减小而增加，与 TPE 效应的理论预测一致。
• 通过模拟验证了背景扣除和事例选择，数据与模拟分布之间在所有运动学参数上均表现出良好一致性。
• 通过详细的探测器模拟、亮度监测以及 $e^+p$ 与 $e^-p$ 事例样本之间的交叉检查，最大限度地减小了系统误差。
• 结果支持 TPE 效应是 Rosenbluth 与极化测量方法之间差异的主要来源的假设。