BESⅢ上质子形状因子与重子对产生截面的测量
发布时间：2017-09-30 07:32
本文关键词：BESⅢ上质子形状因子与重子对产生截面的测量
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【摘要】：核子作为物质的基本组成单元,其内部结构的研究是粒子物理的重要课题之一。理论上,点状质子和中子的磁矩分别为一个核磁子(μN)和0。实验上测量的核子具有反常磁矩,μp=2.79μN,μn=-1.91μN,暗示着核子具有内部结构。在电子-质子弹性散射实验中,测量的散射微分截面与类点粒子散射公式偏离,进一步验证了核子的非点状结构,并由此引入质子形状因子的概念。质子形状因子是包含有量子色动力学(QCD)基本参数的唯象公式,它不仅可以描述质子内部电荷和电流的空间分布,也能够对基于QCD的微扰及非微扰理论进行严格的测试。质子形状因子的测量分为类空空间(四动量转移为负)和类时空间(四动量转移为正)测量,实验上对类时空间质子形状因子的测量可以追溯到上个世纪六十年代。虽然已有大量的实验结果,但是人们对质子形状因子随能量的分布仍存在不少疑问,例如分布谱上出现的特殊结构、阈值特殊效应、以及电磁形状因子的比值等。对于中子及其他重子的形状因子,实验结果很少并且精度均不高。因此实验上仍需要对重子的形状因子进行系统化的研究和精确测量。 北京正负电子对撞机(BEPCII)采用双储存环设计,是一台高亮度,多束团的对撞机,工作于τ-粲能区(2.0-4.6GeV),在优化质心能量3770MeV下的设计亮度为1.0×1033cm-2s-1。北京谱仪(BESIII)是BEPCII上唯一的探测器。本文利用BESIII在连续能区取得的14个能量点的数据,研究了质心能量从2232.4MeV至3671.0MeV,正负电子对湮灭到质子反质子对的过程。质子反质子由dE/dx及TOF信息进行鉴别,通过对两条径迹的动量及夹角的限制,得到了非常纯净的信号样本,进而得到e+e-→pp的玻恩截面。结果与之前实验结果相符,并把精度提高近30%。假设电磁形状因子相等|GE|=|GM|,我们得到类时空间上质子的有效形状因子。此外,我们还利用积分亮度相对高的三个数据样本((?)s=2232.4,2400MeV及联合数据样本3050.0,3060.0和3080.0MeV),通过拟合质子在质心系中的角分布,测量了电磁形状因子之比(|GE/GM|),测量结果均接近于1,误差主要由统计量限制,在25%至50%之间。实验结果说明在误差范围内,电磁形状因子相等的假设在能区2.2-3.0GeV内可以认为成立。并且通过模拟研究发现,如果能够提高统计量,|GE/GM|勺精度将会显著提高。 除了测量质子的形状因子,我们还研究了正负电子对湮灭到AΛ的过程,并由此测量其近阈产生截面及Λ的有效形状因子。利用BESIII在高于Λ灭产生阈1MeV((?)s=2232.4MeV)取得的数据,我们测量了e+e-→∧∧的玻恩截面。实验从两个方面进行重建ΛΛ,i)重建Λ/Λ带电衰变(∧/∧→pπ-/pπ+),由于末态粒子动量很小,pion粒子在MDC内打圈,而质子反质子径迹不能够在MDC中重建,我们利用反质子与束流管作用出次级粒子的特性来重建信号；ii)重建Λ中性衰变(Λ→nπ0),利用反中子在EMC中信息,通过多变量分析研究信号与本底的区别,由于Λ几乎静止,我们最终通过拟合中性pion的动量谱得到信号。两种方法得出的结果一致,加权平均值为319.5土57.6pb。这是在产生阈附近的首次测量,该实验结果与理论预言有很大的差异。在阈值附近,中性重子对相空间因子接近于零,因此相应的截面也应该接近于零。非零的截面说明除了相空间之外,还应该存在其他的阈值效应。另外,利用在其他能量点的数据我们通过重建测量了e+e-→∧∧的玻恩截面及有效形状因子,结果与之前BaBar实验符合,截面误差范围在20.9%至33.3%之间,误差也主要受统计量限制。而且由于没有足够统计量测量Λ电磁形状因子之比,A角动量的不确定性成为最主要的一项系统误差。 在低能区域,由于强相互作用跑动耦合常数αs和夸克胶子禁闭,微扰QCD理论不再适用。因此,各种非微扰QCD理论如格点量子色动力学(LQCD),手征微扰理论(ChPT)等对低能区的强相互作用提供一定精度的理论预言。BEPCII工作能区介于微扰与非微扰能区之间,通过BESIII上积累的大量数据,可以精确测量一些基本参数与QCD计算比较,对各类理论模型和预言进行检验。本文中,我们利用BESIII上取的225M J/Ψ数据,首次观测到J/φ→ppa0(980),a0(980)→π0η过程并测得其分支比为(6.8士1.2土1.3)×10-5,信号统计显著性为6.5σ。实验结果提供了介子a0(980)耦合质子反质子对在阈值产生的信息,并且对ChPT勺理论预言进行定量的比较。ChPT预言了J/ψ四体衰变过程J/φ→ppπ0η的产生振幅,a0(980)由π0η的相互作用产生,通过与实验的测量结果进行比较,可以对ChPT计算介子-介子振幅的未知参数提供实验输入值。
【关键词】：质子 ∧ 玻恩截面 形状因子 阈值 J/ψ 分支比
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O572.2
【目录】：
- 摘要5-8
- ABSTRACT8-11
- 目录11-14
- List of Tables14-17
- List of Figures17-24
- Chapter 1 Introduction24-52
- 1.1 Standard Model and Quantum Chromodynamics24-33
- 1.1.1 Standard Model24-28
- 1.1.2 Quantum Chromodynamics28-32
- 1.1.3 Experimental Tests of QCD32-33
- 1.2 Nucleon Electromagnetic Form Factors33-48
- 1.2.1 Introduce of Proton FFs34-36
- 1.2.2 Proton FFs in Space-like Region36-37
- 1.2.3 Proton FFs in Time-like Region37-44
- 1.2.4 Nucleon FFs:Theory and Phenomenology44-46
- 1.2.5 The NN Production Threshold46-48
- 1.3 The Structure of the Dissertation48
- Bibliography48-52
- Chapter 2 BEPCII and BESIII52-62
- 2.1 BEPCII52-53
- 2.2 BESIII53-58
- 2.3 Trigger and BESIII Offline Software58-62
- Chapter 3 Measurement of the Proton Form Factor by Studying e~+e~-→pp atBESIII62-90
- 3.1 Analysis Strategy64-69
- 3.1.1 Event Selection64-66
- 3.1.2 Background Analysis66-69
- 3.2 Extraction of the Born Cross Section of e~+e~-→pp and the Effective FF69-79
- 3.2.1 Born Cross Section and Effective FF69-73
- 3.2.2 Systematic Uncertainty on σ_(Born)73-79
- 3.3 Extraction of the Electromagnetic |G_E/G_M| Ratio79-86
- 3.3.1 Fitting on cos θ_p79-80
- 3.3.2 Systematic Uncertainty on |G_E/G_M| Ratio80-83
- 3.3.3 Method of Moment83-86
- 3.4 Conclusion86-87
- Bibliography87-90
- Chapter 4 Cross Section Measurement of e~+e~-→∧∧ Near Threshold and atHigher Energies90-128
- 4.1 Measurement of e~+e~-→∧∧ Near Threshold91-118
- 4.1.1 Reconstruction of ∧→pπ~-,∧→pπ~+91-101
- 4.1.2 Reconstruction of ∧→nπ~0101-116
- 4.1.3 Combined Result116-118
- 4.2 Measurement of e~+e~-→∧∧ at 2400.0.2800.0 and 3080.0 MeV118-125
- 4.2.1 Event Selection118-120
- 4.2.2 Background Analysis120-121
- 4.2.3 Calculation of Born Cross Section and Effective FF121-122
- 4.2.4 Systematic Uncertainty122-125
- 4.3 Conclusion and Discussion125-126
- Bibliography126-128
- Chapter 5 Observation of J/φ→ppa_0(980)128-152
- 5.1 Analysis Strategy129-144
- 5.1.1 Event Selection129-133
- 5.1.2 Background Analysis133-136
- 5.1.3 Fitting on M_(πoη)136-139
- 5.1.4 Input/Output Check139
- 5.1.5 Feynman Diagram Calculation Analysis139-144
- 5.2 Systematic Uncertainty144-148
- 5.3 Conclusion and Discussion148-149
- Bibliography149-152
- Chapter 6 Summary and Prospect152-156
- Appendix A Preliminary study of e~+e_-→∧_c~+∧_c~- Near Production Threshold156-168
- A.1 Analysis Strategy157-158
- A.1.1 Event Selection157-158
- A.1.2 Background Analysis158
- A.2 Cross Section Measurement158-161
- A.3 Systematic Uncertainty161-164
- A.4 Discussion of the Results164-166
- A.4.1 Extraction of |G_E/G_M| Ratio164-165
- A.4.2 Fit the Born Cross Section Line-shape165-166
- A.5 Conclusion166-167
- Bibliography167-168
- Appendix B Preliminary Study of e~+e~-→nn168-174
- B.1 Preliminary Event Selection168-172
- B.2 Discussion172-173
- Bibliography173-174
- 致谢174-176
- 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果176-17
【参考文献】
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1 麦迪娜;M.N.Achasov;O.Albayrak;D.J.Ambrose;安芬芬;安琪;白景芝;R.Baldini Ferroli;班勇;J.Becker;J.V.Bennett;M.Bertani;边渐鸣;E.Boger;O.Bondarenko;I.Boyko;S.Braun;R.A.Briere;V.Bytev;蔡浩;蔡啸;O.Cakir;A.Calcaterra;曹国富;S.A.Cetin;常劲帆;G.Chelkov;陈刚;陈和生;陈江川;陈玛丽;陈申见;陈旭荣;陈元柏;程和平;初元萍;D.Cronin-Hennessy;代洪亮;代建平;D.Dedovich;邓子艳;A.Denig;I.Denysenko;M.Destefanis;丁伟民;丁勇;董燎原;董明义;杜书先;方建;房双世;L.Fava;封常青;P.Friedel;傅成栋;傅金林;O.Fuks;高原宁;耿聪;K.Goetzen;龚文煊;W.Gradl;M.Greco;顾e，
本文编号：946914
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