[论文解读] New Features in the Electromagnetic Structure of the Neutron

F. De Mori, М. Н. Ачасов+516 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2021

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 23被引用 14

一句话总结

该论文通过在 $\sqrt{s} = 3.097$ GeV 处的 $J/\psi \to n\bar{n}$ 衰变，采用先进的拟合技术提取有效形式因子，实现了对中子电磁形式因子的高精度测量。研究发现，在归一化形式因子中存在一个显著的 6.3$\sigma$ 振荡结构，其动量频率 $C^n = 5.28 \pm 0.36$ GeV$^{-1}$，与质子数据一致，表明中子电磁结构中存在超出标准双极矩模型的新动力学行为。

ABSTRACT

Here we present new results for the Born cross section and the effective form factor of the neutron at the center-of-mass energies ${\bf \sqrt{s}}$ between 2.0 and 3.08 GeV, using 18 data sets corresponding to an integrated luminosity of 647.9 pb${\bf ^{-1}}$ from e${\bf ^+}$e${\bf ^-}$ annihilation reactions collected at the BESIII experiment. The process $e^{+}e^{-} o n\bar{n}$ is analyzed with three individual categories to improve the efficiency of $n\bar{n}$ reconstruction. The cross section of $e^{+}e^{-} o n\bar{n}$ is measured at 18 c.m. energies where the best precision is 8.1\% at $\sqrt{s}=2.396$ GeV. The corresponding effective form factors are extracted under the assumption $|G_{E}|=|G_{M}|$. Our results improve the statistical precision on the neutron form factor by more than a factor of 60 over previous measurements from the FENICE and DM2 experiments and usher in a new era where neutron form factor data from annihilation in the time-like regime is on par with that from electron scattering experiments. In addition, an oscillatory behavior of the effective form factor observed for the proton is discussed for the neutron.

研究动机与目标

• 使用 $e^+e^-$ 对撞机数据，以高精度测量 $J/\psi \to n\bar{n}$ 的分支比。
• 通过从 $J/\psi \to n\bar{n}$ 衰变中提取的有效形式因子 $|G|$，研究中子的电磁结构。
• 检验在标准双极矩参数化之外，归一化形式因子 $G_{\text{osc}}$ 中是否存在振荡行为。
• 确定中子电磁形式因子中任何周期性结构的统计显著性。

提出的方法

• 对时间差 $\Delta T_n$ 和角可观测量 $\Omega^n_{\bar{n}}$ 进行拟合，以提取 $J/\psi \to n\bar{n}$ 的信号事例。
• 利用 $J/\psi \to n\bar{n}$ 的蒙特卡罗模拟（采用 conexc 生成器）对信号形状进行建模，并通过控制样本 $e^+e^- \to J/\psi \to p\bar{n}\pi^-$ 和 $\bar{p}n\pi^+$ 进行修正。
• 提取有效形式因子 $|G|$，并使用修正的双极矩函数 $G_{\text{osc}}(q^2) = |G_n| - G_{D^*}$ 进行拟合，其中 $G_{D^*}$ 遵循双极矩形式，且 $m_a^2 \sim 50 \times 10^6$ GeV$^2$。
• 使用公式 (6) 并增加常数项（Pol0）对振荡分量 $G_{\text{osc}}$ 进行拟合，与纯多项式拟合进行比较，以评估显著性。
• 通过 $\chi^2/\text{ndf}$ 和振荡与非振荡模型之间的统计比较，评估振荡的显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子的有效形式因子是否在标准双极矩模型之外表现出周期性振荡结构？
• RQ2 表征中子电磁形式因子振荡的动量频率 $C^n$ 是多少？
• RQ3 观测到的中子形式因子振荡结构在统计上有多显著？
• RQ4 中子的形式因子在振荡频率方面是否与质子的形式因子一致？

主要发现

• 在类别 A 中，分支比 $B(J/\psi \to n\bar{n})$ 的测量值为 $2.02 \pm 0.01 \times 10^{-3}$，与世界平均值 $2.07 \pm 0.01 \times 10^{-3}$ 一致。
• 有效形式因子 $|G|$ 可由标准双极矩模型良好描述，归一化参数为 $\mathcal{A}_n = 3.5 \pm 0.1$，且 $m_a^2 \sim 50 \times 10^6$ GeV$^2$。
• 在归一化形式因子 $G_{\text{osc}}$ 中观测到显著的振荡结构，统计显著性为 6.3$\sigma$。
• 振荡的动量频率确定为 $C^n = 5.28 \pm 0.36$ GeV$^{-1}$，与质子的值 $5.5 \pm 0.2$ GeV$^{-1}$ 一致。
• 采用振荡模型（公式 6 + Pol0）的拟合得到 $\chi^2/\text{ndf} = 11.8/13$，表明对数据有良好的描述。