[论文解读] Measurement of the Energy-Dependent Electromagnetic Form Factors of a Charmed Baryon

BESIII Collaboration, F. De Mori+621 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究利用质心系能量在4.6119至4.9509 GeV之间的$e^+e^-$碰撞，首次对粲重子$\Lambda_c^+$的能依赖电磁形式因子进行了精确测量。通过对大量数据样本中$\Lambda_c^+ \to pK^-/pi^+$衰变的分析，BESIII合作组以前所未有的精度确定了截面和有效形式因子，发现$|G_E/G_M|$存在高频振荡，表明$\Lambda_c^+$内部结构非平凡，且未发现$Y(4630)$共振增强的证据。

ABSTRACT

We study the process $e^{+}e^{-} oΛ_{c}^{+}\barΛ_c^{-}$ at twelve center-of-mass energies from $4.6119$ to $4.9509~\mathrm{GeV}$ using data samples collected by the BESIII detector at the BEPCII collider. The Born cross sections and effective form factors ($|G_{\mathrm{eff}}|$) are determined with unprecedented precision after combining the single and double-tag methods based on the decay process $Λ_{c}^{+} o pK^{-}π^{+}$. Flat cross sections around $4.63~\mathrm{GeV}$ are obtained and no indication of the resonant structure $Y(4630)$, as reported by Belle, is found. In addition, no oscillatory behavior is discerned in the $|G_{\mathrm{eff}}|$ energy-dependence of $Λ_{c}^{+}$, in contrast to what is seen for the proton and neutron cases. Analyzing the cross section together with the polar-angle distribution of the $Λ_{c}^{+}$ baryon at each energy point, the moduli of electric and magnetic form factors ($|G_{E}|$ and $|G_{M}|$) are extracted and separated. For the first time, the energy-dependence of the form factor ratio $|G_{E}/G_{M}|$ is observed, which can be well described by an oscillatory function.

研究动机与目标

• 以高精度测量粲重子$\Lambda_c^+$的能依赖电磁形式因子。
• 研究$e^+e^- \to \Lambda_c^+\bar{\Lambda}_c^-$截面中$Y(4630)$附近是否存在类似共振的增强现象。
• 确定$\Lambda_c^+$的有效形式因子谱是否表现出与质子和中子相似的振荡行为。
• 通过其电磁跃迁形式因子探测$\Lambda_c^+$重子的内部结构。

提出的方法

• 使用BESIII探测器在$e^+e^-$质心系能量从4.6119至4.9509 GeV之间收集的数据，研究$e^+e^- \to \Lambda_c^+\bar{\Lambda}_c^-$过程。
• 通过衰变$\Lambda_c^+ \to pK^-\pi^+$重建$\Lambda_c^+$重子，实现高效的事件选择和背景抑制。
• 采用两种独立的重建方法——单迹（ST）和双迹（DT）——以减小系统误差，提取截面和形式因子。
• 在十二个能量点测量了Born截面和极角分布，使用数据驱动方法评估统计误差和系统误差。
• 从$\Lambda_c^+$衰变产物的角分布中提取有效电磁形式因子$G_E$和$G_M$。
• 分析作为能量函数的$|G_E/G_M|$比值，以搜索可能反映内部动力学的振荡特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 $\Lambda_c^+$电磁形式因子谱是否表现出与质子和中子相似的振荡行为？
• RQ2 $e^+e^- \to \Lambda_c^+\bar{\Lambda}_c^-$截面中$Y(4630)$附近是否存在共振增强？
• RQ3 $\Lambda_c^+$重子的$|G_E/G_M|$比值的能依赖关系如何？是否揭示非平凡的内部结构？
• RQ4 利用$e^+e^-$湮灭数据，$\Lambda_c^+$电磁形式因子的测量精度如何？

主要发现

• 从阈值到4.66 GeV，$e^+e^- \to \Lambda_c^+\bar{\Lambda}_c^-$截面中未观测到$Y(4630)$共振附近的增强。
• $\Lambda_c^+$的有效形式因子谱未表现出与质子或中子类似的振荡行为。
• $|G_E/G_M|$比值表现出高频振荡，其频率显著高于质子的频率。
• 在4.6819 GeV处，截面测量值为$188.1 \pm 1.6 \pm 6.3$ pb，$|G_E/G_M| = 0.88 \pm 0.03 \pm 0.01$。
• 在4.9509 GeV处，截面为$89.6 \pm 3.6 \pm 3.1$ pb，$|G_E/G_M| = 0.52 \pm 0.18 \pm 0.01$，表明强烈的能量依赖性。
• 测量得到的$|G_E/G_M|$比值随能量呈现清晰的振荡趋势，表明$\Lambda_c^+$重子内部存在复杂的动力学行为。