[论文解读] Measurement of the Nucleon $F^n_2/F^p_2$ Structure Function Ratio by the Jefferson Lab MARATHON Tritium/Helium-3 Deep Inelastic Scattering Experiment

MARATHON Collaboration, D. Abrams+130 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

在杰斐逊实验室的MARATHON实验中，通过电子对氚和氦-3核的深度非弹性散射，精确测量了核子 $F^n_2/F^p_2$ 结构函数比值。利用这些 $A=3$ 核的镜像对称性，该方法最大限度地减少了理论不确定性，在 $0.19 < x < 0.83$ 范围内实现了高精度的比值测量，且在 $x \to 1$ 时与微扰QCD和夸克计数规则一致，与Kulagin-Petti预测的 $\chi^2$/dof 为 0.8。

ABSTRACT

The ratio of the nucleon $F_2$ structure functions, $F_2^n/F_2^p$, is determined by the MARATHON experiment from measurements of deep inelastic scattering of electrons from $^3$H and $^3$He nuclei. The experiment was performed in the Hall A Facility of Jefferson Lab and used two high resolution spectrometers for electron detection, and a cryogenic target system which included a low-activity tritium cell. The data analysis used a novel technique exploiting the mirror symmetry of the two nuclei, which essentially eliminates many theoretical uncertainties in the extraction of the ratio. The results, which cover the Bjorken scaling variable range $0.19 &lt; x &lt; 0.83$, represent a significant improvement compared to previous SLAC and Jefferson Lab measurements for the ratio. They are compared to recent theoretical calculations and empirical determinations of the $F_2^n/F_2^p$ ratio.

研究动机与目标

• 在先前SLAC和JLab测量的基础上，以更高精度确定中子与质子的 $F_2$ 结构函数比值 $F^n_2/F^p_2$。
• 通过利用氚和氦-3核的镜像对称性，减少在提取 $F^n_2/F^p_2$ 时的理论不确定性。
• 提供高精度数据，以约束核子部分子分布和少体核结构函数的理论模型。
• 改进对大Bjorken $x$ 下 $(u+\bar{u})/(d+\bar{d})$ 部分子分布比值的约束，这对对撞机物理至关重要。
• 检验基于现代QCD的理论模型预测，包括基于动力学规范对称性自发破缺和夸克-二夸克关联的模型。

提出的方法

• 实验在杰斐逊实验室Hall A中利用电子对氚和氦-3靶的深度非弹性散射，通过两台高分辨率谱仪探测电子。
• 采用低活性的低温氚靶，以实现对中子结构函数的清晰测量。
• 利用 $^3$H 与 $^3$He 之间的镜像对称性，定义超比值 ${\cal R}_{ht} = \sigma_t / \sigma_h$，以消除 $F^n_2/F^p_2$ 提取中的许多理论不确定性。
• 通过将 ${\cal R}_{ht}$ 与理论预测（特别是Kulagin和Petti，即K-P）的 $\sigma_t / \sigma_h$ 比值相结合，提取 $F^n_2/F^p_2$ 比值。
• 通过将 ${\cal R}_{ht}$ 的不确定性与逐点 $F^n_2/F^p_2$ 不确定性进行平方和合并，评估系统性不确定性。
• 分析采用与MARATHON实验一致的运动学条件，数据覆盖 $0.19 < x < 0.83$，且 $Q^2$ 值与 $F_2$ 结构函数相关。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $x$ 范围 $0.19 < x < 0.83$ 内，中子与质子的 $F_2$ 结构函数比值 $F^n_2/F^p_2$ 的精确值是多少？
• RQ2 氚和氦-3的镜像对称性在多大程度上减少了提取 $F^n_2/F^p_2$ 时的理论不确定性？
• RQ3 现代理论预测（如Kulagin和Petti的预测）在多大程度上能准确描述测量得到的 $F^n_2/F^p_2$ 比值和 $\sigma_t / \sigma_h$ 超比值？
• RQ4 当 $x \to 1$ 时，$F^n_2/F^p_2$ 比值是否趋近于微扰QCD和夸克计数规则预测的 $3/7 \approx 0.43$？
• RQ5 MARATHON结果与先前SLAC和JLab Hall B BoNuS数据相比如何？其一致性具有何种重要意义？

主要发现

• MARATHON实验在 $0.19 < x < 0.83$ 范围内，对 $F^n_2/F^p_2$ 比值的测量精度显著优于以往的SLAC和JLab测量。
• 测量得到的 $F^n_2/F^p_2$ 比值与Kulagin和Petti的理论预测高度一致，$\chi^2$/dof 为 0.8，表明一致性极佳。
• MARATHON测量的 $\sigma_t / \sigma_h$ 超比值也与K-P预测高度一致，$\chi^2$/dof 为 0.8，验证了所用理论框架的可靠性。
• 最高 $x$ 区域的数据点与比值在 $x=1$ 时趋近于 0.4 到 0.5 之间的趋势一致，与微扰QCD和夸克计数规则相符。
• MARATHON结果与JLab Hall B BoNuS实验数据具有良好一致性，后者已根据MARATHON的运动学条件进行演化。
• 数据对大 $x$ 下 $(u+\bar{u})/(d+\bar{d})$ 部分子分布比值提供了强有力的约束，这对解释高能对撞机数据至关重要。