[论文解读] Exciting Nucleons in Compton Scattering and Hydrogen-Like Atoms

Franziska Hagelstein|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Atomic and Molecular Physics参考文献 7被引用 11

一句话总结

本论文通过Dispersion理论和Chiral有效场论研究类氢原子中的核子结构效应及康普顿散射，以解决质子电荷半径之谜。论文推导了极化率的新求和规则，计算了超越电荷半径展开的有限尺寸效应，并首次给出了中子极化率对μ介氢能谱贡献的模型无关预测，解决了从光谱测量中提取质子半径时存在的不一致问题。

ABSTRACT

This PhD thesis is devoted to the low-energy structure of the nucleon (proton and neutron) as seen through electromagnetic probes, e.g., electron and Compton scattering. The research presented here is based primarily on dispersion theory and chiral effective-field theory. The main motivation is the recent proton radius puzzle, which is the discrepancy between the classic proton charge radius determinations (based on electron-proton scattering and normal hydrogen spectroscopy) and the highly precise extraction based on first muonic-hydrogen experiments by the CREMA Collaboration. The precision of muonic-hydrogen experiments is presently limited by the knowledge of proton structure effects beyond the charge radius. A major part of this thesis is devoted to calculating these effects using everything we know about the nucleon electromagnetic structure from both theory and experiment. The thesis consists of eight chapters. The first and last are, respectively, the introduction and conclusion. The remainder of this thesis can roughly be divided into the following three topics: finite-size effects in hydrogen-like atoms, real and virtual Compton scattering, and two-photon-exchange effects.

研究动机与目标

• 通过计算类氢原子中超越电荷半径的核子结构效应，解决质子电荷半径之谜。
• 利用电磁形式因子的发散表示，研究氢和μ介氢中的有限尺寸修正。
• 基于幺正性、因果性和解析性，推导出康普顿散射中准静态极化率的新求和规则。
• 利用双虚康普顿散射和核子Baryon Chiral微扰理论，计算μ介原子中的两光子交换效应。
• 首次给出轻μ介原子中中子极化率对兰姆位移和超精细分裂贡献的模型无关预测。

提出的方法

• 采用核子电磁形式因子的发散表示，系统计算类氢原子中的有限尺寸效应。
• 在量子电动力学框架内，推导弹性道对准静态极化率贡献的新一组求和规则。
• 利用包含显式∆(1232)等级自由度的SU(2)核子Baryon Chiral微扰理论，完成康普顿散射的下一阶下一阶计算。
• 通过核子上的双虚康普顿散射，评估对μ介氢、氘和氦谱线的主导及次主导(Zα)⁵和(Zα)⁶极化率贡献。
• 将非Born两光子交换贡献展开为单个自旋极化率的形式，实现与实验数据的模型无关比较。
• 利用QCD的大Nc极限，指导∆(1232)激发效应在μ介氢超精细分裂中的包含。

实验结果

研究问题

• RQ1 氢光谱中的有限尺寸效应是否能超越标准电荷半径和磁矩半径展开，实现系统性计算？
• RQ2 新求和规则对康普顿散射中弹性道极化率贡献有何影响？
• RQ3 核子极化率效应，特别是∆(1232)共振的贡献，如何影响μ介氢中的兰姆位移和超精细分裂？
• RQ4 轻μ介原子谱线中中子极化率贡献的模型无关预测是什么？
• RQ5 两光子交换效应，包括中性π介子交换和库仑畸变型项，对解决质子电荷半径之谜的贡献有多大？

主要发现

• 标准电荷半径和磁矩半径展开无法准确捕捉有限尺寸效应，且可通过构建依赖于模型的形式因子来解决质子电荷半径之谜。
• 推导出一组新的准静态极化率求和规则，并在量子电动力学中得到验证，为极化率提取提供了严格的理论基础。
• 在包含∆(1232)自由度的SU(2)核子Baryon Chiral微扰理论下一阶下一阶计算中，成功预测了质子极化率效应在μ介氢兰姆位移和超精细分裂中的贡献。
• 首次获得轻μ介原子中中子极化率效应的模型无关预测，使未来高精度光谱实验的直接比较成为可能。
• ∆(1232)激发对μ介氢超精细分裂有显著贡献，其效应量级与其它一阶贡献相当。
• 将非Born两光子交换贡献展开为自旋极化率形式，实现了与实验数据的详细比较，显著提升了质子半径提取的精度。