[论文解读] Nucleon off-shell structure and the free neutron valence structure from A=3 inclusive electron scattering measurements

G. Asryan, J.R. Pybus+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2021

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 4

一句话总结

本研究重新评估了MARATHON合作组对氦-3和氚的电子散射的包容性数据，以约束自由中子价夸克结构和核子离壳效应。在采用多种核波函数和核子修正模型的前提下，发现基于同位旋无关假设，中子与质子结构函数比值 $ F_2^n/F_2^p \big|_{x_B\to1} \approx 0.43 \pm 0.04 $ 具有一致性，若考虑同位旋依赖性，则强烈支持微扰QCD和Dyson-Schwinger方程模型，而非标量二夸克方案。

ABSTRACT

Understanding the differences between the distribution of quarks bound in protons and neutrons is key for constraining the mechanisms of SU(6) spin-flavor symmetry breaking in Quantum Chromodynamics (QCD). While vast amounts of proton structure measurements were done, data on the structure of the neutron is much more spars as experiments typically extract the structure of neutrons from measurements of light atomic nuclei using model-dependent corrections for nuclear effects. Recently the MARATHON collaboration performed such an extraction by measuring inclusive deep-inelastic electron-scattering on helium-3 and tritium mirror nuclei where nuclear effects are expected to be similar and thus be suppressed in the helium-3 to tritium ratio. Here we evaluate the model dependence of this extraction by examining a wide range of models including the effect of using instant-form and light-cone nuclear wave functions and several different parameterizations of nucleon modification effects, including those with and without isospin dependence. We find that, while the data cannot differentiate among the different models of nuclear structure and nucleon modification, they consistently prefer a neutron-to-proton structure function ratio of at $x_B ightarrow 1$ of $\sim 0.4$ with a typical uncertainty ($1σ$) of $\sim0.05$ and $\sim0.10$ for isospin-independent and isospin-dependent modification models, respectively. While strongly favoring SU(6) symmetry breaking models based on perturbative QCD and the Schwinger-Dyson equation calculation, the MARATHON data do not completely rule out the scalar di-quark models if an isospin-dependent modification exist.

研究动机与目标

• 减少在从轻镜核的包容性电子散射中提取自由中子结构函数时的模型依赖性。
• 评估核子离壳效应和核波函数形式对中子与质子结构函数比值的影响。
• 在多种核子修正模型下，检验MARATHON合作组在 $x_B \to 1$ 处提取 $F_2^n/F_2^p$ 的鲁棒性。
• 评估数据是否能约束核子结构修正的虚时依赖性，特别是EMC效应。
• 识别包容性深度非弹性散射在探测离壳核子效应方面的局限性，并建议互补可观测量如残差标记的深度非弹性散射。

提出的方法

• 采用全局拟合框架，分析MARATHON、BONuS和Seely在 $^3$He和 $^3$H 上的包容性 $F_2$ 数据，使用多种以 $x_B$ 参数化的核子离壳修正函数。
• 同时采用谱函数和轻锥核波函数来建模 $^3$He和 $^3$H 中的多体效应，评估其对提取的结构函数的影响。
• 分析包括同位旋无关和同位旋依赖的核子修正函数，其形式涵盖常数到 $x_B$ 线性，包含KP和CJ参数化形式。
• 通过核谱函数与束缚核子结构函数的卷积提取 $F_2^n/F_2^p$ 比值，并使用90%置信区间量化不确定性。
• 通过在多个配置下对同一数据集进行拟合，比较不同模型，并评估不同模型下 $F_2^n/F_2^p$ 比值的一致性。
• 研究采用类似贝叶斯的方法传播不确定性，通过重复拟合生成 $F_2^n/F_2^p$ 比值的概率分布函数（PDFs）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $x_B \to 1$ 处，提取的 $F_2^n/F_2^p$ 比值对核子离壳结构和核波函数的不同模型有多敏感？
• RQ2 MARATHON数据在多大程度上约束了束缚核子中核子结构修正的虚时依赖性？
• RQ3 数据能否区分SU(6)对称性破缺模型与标量二夸克模型的核子结构？
• RQ4 同位旋依赖的核子修正如何影响高 $x_B$ 处 $F_2^n/F_2^p$ 的不确定性和中心值？
• RQ5 包容性深度非弹性散射在约束离壳核子效应方面存在哪些局限性？哪些新可观测量可改善模型区分？

主要发现

• 在所有同位旋无关的离壳修正模型下，MARATHON数据在 $x_B \to 1$ 处均给出一致的 $F_2^n/F_2^p$ 比值 $0.43 \pm 0.04$，且与函数形式无关。
• 对于同位旋依赖的模型，该比值约束较弱，得到 $0.4 \pm 0.1$，且随具体参数化形式显著变化。
• 引入MARATHON数据显著减小了 $F_2^n/F_2^p$ 比值的不确定性，但对约束离壳核子修正函数参数的影响甚微。
• 所有测试的模型——包括常数、线性、KP和CJ形式——对MARATHON、BONuS和Seely数据的描述能力相当，表明存在模型退化现象。
• 若存在同位旋依赖的核子修正，数据并未排除标量二夸克模型，尽管它们强烈支持微扰QCD和Dyson-Schwinger方程的预测。
• 由于缺乏 $F_2^d$ 数据，低 $x_B$ 区域仍约束不足，且卷积过程的 $x_B$ 混叠特性限制了向 $x_B \to 1$ 外推的精度。