[论文解读] Measurement of the nucleon spin structure functions for 0.01<$Q^2$<1 GeV$^2$ using CLAS

A Deur, S.E Kuhn+148 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用杰斐逊实验室的CLAS探测器，在低Q²（0.01 < Q² < 1 GeV²）区域对质子和氘核的核子自旋结构函数g1进行了高精度测量。通过结合质子和氘核数据并应用费米展宽校正，作者提取了中子的g1以及矩Γ₁、γ₀和Iₜₜ，验证了与Gerasimov-Drell-Hearn求和规则的一致性，并首次在与π介子质量相关的Q²区域内对手征有效场论（χEFT）预测进行了广泛测试。

ABSTRACT

The spin structure functions of the proton and the deuteron were measured during the EG4 experiment at Jefferson Lab in 2006. Data were collected for longitudinally polarized electron scattering off longitudinally polarized NH$_3$ and ND$_3$ targets, for $Q^2$ values as small as 0.012 and 0.02 GeV$^2$, respectively, using the CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS). This is the archival paper of the EG4 experiment that summaries the previously reported results of the polarized structure functions $g_1$, $A_1F_1$, and their moments $\overline Γ_1$, $\overline γ_0$, and $\overline I_{TT}$, for both the proton and the deuteron. In addition, we report on new results on the neutron $g_1$ extracted by combining proton and deuteron data and correcting for Fermi smearing, and on the neutron moments $\overline Γ_1$, $\overline γ_0$, and $\overline I_{TT}$ formed directly from those of the proton and the deuteron. Our data are in good agreement with the Gerasimov-Drell-Hearn sum rule for the proton, deuteron, and neutron. Furthermore, the isovector combination was formed for $g_1$ and the Bjorken integral $\overline Γ_1^{p-n}$, and compared to available theoretical predictions. All of our results provide for the first time extensive tests of spin observable predictions from chiral effective field theory ($χ$EFT) in a $Q^2$ range commensurate with the pion mass. They motivate further improvement in $χ$EFT calculations from other approaches such as the lattice gauge method.

研究动机与目标

• 在低动量转移区域（0.01 < Q² < 1 GeV²）测量质子和氘核的自旋结构函数g1。
• 通过结合质子和氘核数据并校正费米运动效应，提取中子的自旋结构函数g1。
• 在测量的Q²范围内，确定质子、氘核和中子的矩Γ₁、γ₀和Iₜₜ。
• 在低Q²区域内测试手征有效场论（χEFT）预测，特别是在与π介子质量相关的区域。
• 利用新实验数据验证质子、氘核和中子的Gerasimov-Drell-Hearn求和规则。

提出的方法

• 数据通过杰斐逊实验室EG4实验期间的CEBAF大立体角光谱仪（CLAS）获取。
• 纵向极化的电子在Q²低至0.012 GeV²的条件下，散射自纵向极化的NH₃和ND₃靶。
• 测量了自旋不对称性，并用于提取质子和氘核的核子自旋结构函数g1。
• 通过质子和氘核数据的组合，结合费米运动和最终态相互作用的校正，提取了中子的g1。
• 通过在测量的x范围内对测得的g1函数进行数值积分，提取了矩Γ₁、γ₀和Iₜₜ。
• 计算了同位旋矢量组合Γ₁^p−n和γ₀^p−n，并与χEFT及其他理论模型的预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低Q²区域，测得的质子和氘核g1结构函数是否满足Gerasimov-Drell-Hearn求和规则？
• RQ2 能否通过费米展宽校正，从质子和氘核数据中可靠地提取中子自旋结构函数g1？
• RQ3 手征有效场论（χEFT）预测在接近π介子质量尺度的低Q²区域内，对自旋结构函数和矩的描述有多好？
• RQ4 Bjorken积分Γ₁^p−n在测量的Q²范围内表现出何种行为？与理论预期相比如何？
• RQ5 提取的中子及同位旋矢量组合的矩Γ₁、γ₀和Iₜₜ在多大程度上与理论预测一致？

主要发现

• 在全部Q²范围内，测得的质子、氘核和中子g1结构函数与Gerasimov-Drell-Hearn求和规则一致。
• 中子自旋结构函数g1在Q² = 0.0204 GeV²处的统计和系统误差已报告，其值从Q² = 0.0204 GeV²时的-0.0139×10⁻⁴ fm⁴变化至Q² = 0.4940 GeV²时的-0.0404×10⁻⁴ fm⁴。
• 同位旋矢量组合Γ₁^p−n的测量不确定度在Q²范围内为~0.003–0.012×10⁻⁴ fm⁴，显示出非零但较小的值，与理论预期一致。
• γ₀^p−n和γ₀^p+n的矩提取不确定度为~0.02–0.05×10⁻⁴ fm⁴，其随Q²的演化平滑，且与χEFT预测一致。
• 提取的中子矩Γ₁^n、Iₜₜ^n和γ₀^n与理论预期趋势一致，尤其在低Q²区域表现明显。
• 结果首次在与π介子质量相当的Q²范围内对χEFT预测的自旋可观测量提供了全面测试，凸显了进一步完善理论模型的必要性。