[论文解读] Beam Normal Single Spin Asymmetry Measurements from QWeak

B. Waidyawansa, Collaboration, the QWeak|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文基于杰斐逊实验室的Q weak实验，在1.155 GeV能量和7.8°实验室角度下，对弹性电子-质子散射中的束流法向单自旋不对称性（$B_n$）进行了初步测量，精度为3.2%。该测量结果支持两光子交换振幅中包含多π介子中间态的理论模型，对前向角区域的$B_n$提供了关键约束，并为未来深入研究非弹性及核散射过程奠定了基础。

ABSTRACT

The Q weak experiment has made several interesting beam normal single spin asymmetry measurements. Preliminary result from a 3.2% measurement of the beam normal single spin asymmetry in elastic e+p scattering at E = 1.155 GeV and θ lab = 7.8(deg) is presented. We have also made measurements of this asymmetry in elastic and inelastic scattering in the Delta resonance region from Hydrogen, Aluminum and Carbon targets and e+e scattering from Hydrogen target. Some initial results from these measurements are also presented.

研究动机与目标

• 在前向角区域以高精度测量弹性电子-质子散射中的束流法向单自旋不对称性（$B_n$）。
• 通过将$B_n$测量结果与基于不同中间核子态的理论预测进行比较，检验两光子交换振幅的理论模型。
• 将$B_n$测量扩展至Δ共振区的非弹性散射，以及碳和铝靶的弹性散射过程。
• 通过对比包含或不包含此类贡献的理论模型，探究多π激发在两光子交换过程中的作用。
• 为质量数A = 12至A = 208之间的自旋为0的核素提供$B_n$的新约束，以解决现有理论与实验比较中的不一致问题。

提出的方法

• 使用1.16 GeV能量、150–180 $μ$A的横向极化电子束，通过Pockels细胞以960 Hz的频率翻转手性。
• 利用接受度约50%的切伦科夫探测器，在八个方位角象限中测量探测器不对称性$A_{det} = (Y^+ - Y^-)/(Y^+ + Y^-)$。
• 插入半波片以独立于Pockels细胞周期性地翻转束流手性，从而降低与手性相关的束流系统误差。
• 通过拟合$A_{det}(φ_{det}) = A_{exp} \sin(\phi_{det} - \phi_s)$来提取实验不对称性$A_{exp}$，该拟合考虑了象限依赖性。
• 利用公式$B_n = R \left( \frac{A_{exp}/P - \sum A_{bkg}^i f_i}{1 - \sum f_i} \right)$对$A_{exp}$进行束流极化、运动学及背景（如靶窗、非弹性污染）的修正。
• 在分析过程中使用多重线性回归方法消除残余的手性相关束流不对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1.155 GeV能量和7.8°角度下，弹性电子-质子散射中的束流法向单自旋不对称性（$B_n$）的大小和符号为何？
• RQ2 在两光子交换理论模型中，包含单π介子或包含多π介子中间态的模型，哪一个更符合所测得的$B_n$？
• RQ3 在Δ共振区的非弹性电子散射中，$B_n$的行为如何？其在前向角区域是否表现出预期的正不对称性？
• RQ4 在碳和铝靶的弹性散射中，$B_n$的值是多少？其随核质量数的变化趋势如何？
• RQ5 在Moller峰处的e+e散射中，$B_n$测量能否作为纯粹轻子过程中两光子交换模型的清洁检验？

主要发现

• 在1.155 GeV能量和7.8°角度下，弹性e+p散射中$B_n$的初步测量结果为$-5.35 \pm 0.07$（统计）$\pm 0.15$（系统）ppm，精度达到3.2%。
• 所测$B_n$值支持在两光子交换振幅中包含多π介子中间态的理论模型，而非仅限于单π介子激发的模型。
• 在Δ共振区非弹性e+p散射中测得的不对称性具有非零振幅，且相位与弹性不对称性相反，与理论预期一致。
• 对弹性e+Al散射数据的初步拟合显示存在非零的实验不对称性，为约束A = 12至A = 208之间自旋为0核素的$B_n$提供了新的数据点。
• 在0.877 GeV能量下，e+e散射数据的统计误差条显示精度接近几ppm，与理论预测的~几ppm水平一致，符合Moller峰处的预期。
• 对碳和铝靶的$B_n$分析仍在进行中，其进展取决于对非弹性贡献及靶污染效应的理论输入。