Ա.Ի . ԱԼ Ի ԽԱՆՅ ԱՆԻ ԱՆՎԱՆ

Ա.Ի . ԱԼ Ի ԽԱՆՅ ԱՆԻ ԱՆՎԱՆ
ԱԶ ԳԱՅ Ի Ն ԳԻ Տ ԱԿԱՆ Լ ԱԲՈՐ ԱՏ ՈՐ Ի Ա
Սե ր գ ե յ Լ ազ ար ի Աբ ր ահ ամ յ ան
ՆԵՅ Տ Ր ՈՆԻ Է Լ ԵԿՏ Ր ԱԿԱՆ ՖՈՐ Մ-ՖԱԿՏ ՈՐ Ի Չ ԱՓՈՒՄԸ
ՓՈԽԱՆՑ ՎԱԾ Ի ՄՊՈՒԼ ՍԻ ԲԱՐ Ձ Ր ԱՐ ԺԵՔՆԵՐ Ի ԴԵՊՔՈՒՄ
Ա. 04.16. – “Մի ջ ո ւ կ ի , տար ր ակ ան մ աս ն ի կ ն ե ր ի և
տի ե զ ե ր ակ ան
ճ առ ագ այ թ ն ե ր ի ֆ ի զ ի կ ա” մ աս ն ագ ի տո ւ թ յ ամ բ
Ֆի զ ի կ ամ աթ ե մ ատի կ ակ ան գ ի տո ւ թ յ ո ւ ն ն ե ր ի
թ ե կ ն ած ո ւ ի գ ի տակ ան աս տի ճ ան ի հ այ ց մ ան
ատե ն ախո ս ո ւ թ յ ան
ՍԵՂՄԱԳԻ Ր
Եր և ան 2011
===========================================
НАЦИОНАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ
ИМЕНИ А.И. АЛИХАНЯНА
Абрамян Сергей Лазаревич
ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ФОРМ-ФАКТОРА НЕЙТРОНА
ПРИ БОЛЬШИХ ЗНАЧЕНИЯХ ПЕРЕДАННОГО ИМПУЛЬСА
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности А. 04. 16 «Физика ядра,
элементарных частиц и космических лучей».
ЕРЕВАН 2011
Ատե ն ախո ս ո ւ թ յ ան թ ե մ ան հ աս տատվ ե լ է Ա.Ի . Ալ ի խան յ ան ի
ան վ ան Ազ գ այ ի ն Գի տակ ան Լ աբ ո ր ատո ր ի այ ո ւ մ
Գի տակ ան ղ ե կ ավ ար `
Ֆի զ մ աթ . գ ի տ. թ ե կ ն ած ո ւ
պր ո ֆ . Բ.Բ. Վո յ ց ե խո վ ս կ ի
(ՋԼ աբ )
Պաշ տո ն ակ ան ը ն դ դ ի մ ախո ս ն ե ր `
Ֆի զ մ աթ . գ ի տ. դ ո կ տո ր ,
Ա.Մ. Սիրունյան (ԱԳԼ )
Ֆի զ մ աթ . գ ի տ. թ ե կ ն ած ո ւ
Ա. Թ. Մարգարյան (ԱԳԼ )
Առ աջ ատար կ ազ մ ակ ե ր պո ւ թ յ ո ւ ն `
Եր և ան ի
Պե տակ ան
Հ ամ ալ ս ար ան
Պաշ տպան ո ւ թ յ ո ւ ն ը կ այ ան ալ ո ւ է 2011 թ . ն ո յ ե մ բ ե ր ի 15-ի ն ժ ամ ը
16:00
Ազ գ այ ի ն Գի տակ ան Լ աբ ո ր ատո ր ի այ ո ւ մ գ ո ր ծ ո ղ ԲՈՀ -ի 024
մ աս ն ագ ի տակ ան խո ր հ ր դ ո ւ մ (Եր և ան -36, Ալ ի խան յ ան ե ղ բ այ ր ն ե ր ի
փ. 2):
Ատե ն ախո ս ո ւ թ յ ան ը կ ար ե լ ի է ծ ան ո թ ան ալ ԱԳԼ -ի գ ր ադ ար ան ո ւ մ
Սե ղ մ ագ ի ր ն առ աք վ ած է 2011 թ . հ ո կ տե մ բ ե ր ի 14-ի ն
Մաս ն ագ ի տակ ան խո ր հ ր դ ի գ ի տակ ան
ք ար տո ւ ղ ար , ֆ ի զ մ աթ . գ ի տ. դ ո կ տո ր
Է .Դ.Գազ ազ յ ան
===========================================
Тема диссертации утверждена в Национальной Научной Лаборатории им.
А. И. Алиханяна
Научный руководитель:
Официальные оппоненты
Ведущая организация:
кандидат физ.-мат. наук,
проф. Б. Б. Войцеховский (JLab, USA)
доктор физ.-мат. наук
А. М. Сирунян (ННЛ)
кандидат физ.-мат. наук
А. Т. Маргарян (ННЛ)
Ереванский Государственный Университет
2
Защита состоится 15-го ноября 2011 г. в 16:00 на заседании специализированного
совета ВАК РА 024, действующего в Национальной Научной Лаборатории (0036, г.
Ереван. Ул. Братьев Алиханян 2) .
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ННЛ
Автореферат разослан 14-го октября 2011 г.
Ученый секретарь спец. Совета
Доктор физико-математических наук
Э. Д. Газазян
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
В настоящей работе представлены результаты эксперимента по
изучению структуры нейтрона. Проведённый эксперимент позволил
установить ранее неизвестные особенности распределения кварков в
нуклонах на малых расстояниях [1].
Измеренные значения электрического форм-фактора нейтрона
для значений переданного импульса Q2 = 1.2, 1.7, 2.5, 3.4 (ГэВ/с)2
позволили установить, что распределение d кварков в протоне
значительно шире распределения u кварков. Обнаружена природа
скейлинга в зависимости отношения форм-факторов протона F1 и F2
от переданного импульса.
Созданная нами аппаратура эксперимента обеспечила набор
данных с производительностью более чем в сто раз выше, чем в
сопоставимых
других
экспериментах.
Разработанная
экспериментальная
методика,
процедура
калибровки
экспериментальной аппаратуры [2] и процедура анализа данных [3]
будут использоваться в серии экспериментов утвержденных в
лаборатории им. Т. Джефферсона (JLab), USA [4, 5, 6, 7, 8, 9].
Актуальность работы. Структура нуклона и его основные
характеристики, такие как заряд, магнитный момент, размер
представляют фундаментальный научный интерес. Исследование
структуры нуклоны является отличным инструментом для изучения
кварк-кварковых и кварк-глюонных взаимодействий. Исследование
структуры
нейтрона,
особенно
актуально,
поскольку
экспериментальные данные по нейтронным форм-факторам
значительно уступают по точности существующим измерениям формфакторов протона.
Значительная часть информации по структуре нуклонов была
получена посредством электронного рассеяния. Одним из методов по
3
изучению партонной структуры нуклонов при больших значениях
переданного импульса является инклюзивное глубоко-неупругое
рассеяние. Глубоко-неупругое рассеяние предоставляет информацию
об импульсном распределении кварков и глюонов в нуклоне.
С другой стороны, эксклюзивные процессы, такие как, упругое
рассеяние электронов и фотонов посредством форм-факторов
предоставляют информацию о пространственном распределении
нуклонных составляющих и их корреляциях.
Форм-фактор
Дирака, F1 ,
описывает
взаимодействие
виртуального фотона с нуклоном без переворота спина нуклона, а
форм-фактор Паули, F2 , описывает взаимодействие виртуального
фотона с нуклоном с переворотом спина нуклона. В ряде случаев
удобнее пользоваться электрическим и магнитным форм-факторами
нуклона – GE и GM , которые являются линейными комбинациями
форм-факторов Дирака и Паули.
Экспериментальные данные по электрическому форм-фактору
нейтрона G En в значительной степени уступают по точности
измерениям остальных трех форм факторов: электрического и
магнитного форм-фактора протона, GEp и GMp , а также магнитного
форм-фактора нейтрона, GMn . Получение полноценной картины
кварковых распределений в нуклоне невозможно без знания всех
четырех упругих форм-факторов. Это делает измерение наименее
изученного электрического форм-фактора нейтрона особенно
актуальным.
Помимо важной роли электрического форм-фактора нейтрона
для понимания структуры нуклона, G En является необходимой частью
анализа процессов электромагнитного взаимодействия с ядром.
Значения форм-факторов нуклона необходимы для многих
экспериментов в области ядерной физики и физики частиц. Например,
для расчета взаимодействий нейтрино с ядрами в экспериментах по
осцилляциям нейтрино.
Важным достижением последних лет в феноменологических
моделях квантовой хромо-динамики (КХД) является разработка
формализма Обобщенных Партонных Распределений (ОПР) [10, 11].
Формализм ОПР предоставляет возможность установить связь между
инклюзивными и эксклюзивными наблюдаемыми. Например, формфакторы Дирака и Паули F1 и F2 выражаются через нулевой момент
соответствующей функции ОПР [11]:
4
F1 (t )    Fq ( x, t )dx and F2 (t )    Kq ( x, t )dx
0
0
1
1
q
(1.1)
q
Представленный в работе [12] подход, на основе ОПР, для
расчета эксклюзивных реакций в диапазоне от 1 до 10 (ГэВ/с)2
устанавливает связь между упругими форм-факторами и результатами
от глубоко-неупругого рассеяния и Комтоновского рассеяния. Кроме
того, как показано в работах [12], знание форм-факторов нуклонов
позволяет построить модели функций ОПР.
Таким образом, точные экспериментальные данные по
электрическому
форм-фактору
нейтрона, G En , предоставляют
уникальные возможности по проверке и уточнению области
применения теории ОПР.
Значение
электрического
форм-фактора
нейтрона
в
предшествующих экспериментах было измерено до значений
переданного импульса ~ 1.5 (ГэВ/c)2 [13, 14, 15, 16, 17]. Таким
образом, проведенное нами измерение позволило увеличить диапазон
значений по переданному импульсу более чем в два раза до 3.4
(ГэВ/c)2. Разработанные методики анализа данных и калибровки
обеспечили успех ряда экспериментов в лаборатории им. Т.
Джефферсона.
Цель работы. Целью данной работы является физический
эксперимент по измерению форм-фактора нейтрона при значениях
переданного импульса до 3.4 (ГэВ/c)2. В рамках данной работы были
решены следующие задачи:
1. Оптимизация метода для измерения электрического формфактора нейтрона при больших значениях переданного
импульса.
2. Разработка программного обеспечения для калибровки
детекторов и анализа данных экспериментов с большим
количеством считывающих каналов [2].
3. Анализ экспериментальных данных по измерению форм-фактора
нейтрона [3].
4. Интерпретация
физических
результатов
по
структуре
нейтрона [1].
Методы реализации. Измерение электрического форм-фактора
нейтрона в эксперименте Е02-013 основано на измерении поперечной
асимметрии АТ в процессе полу-эксклюзивного, квази-упругого
5
рассеяния поляризованного пучка электронов на поляризованной
3
мишени гелия-3: He(e , e ' n) .
В
эксперименте
была
использована
3
поляризованная мишень He и поляризованный электронный пучок
CEBAF. Электроны регистрировались в спектрометре BigBite,
нейтроны отдачи – в наборе сцинтилляционных счетчиков
нейтронного детектора BigHAND [18].
Измерение G En проводилось поляризационным методом. В
эксперименте измерялось значение поперечной асимметрии, АТ, в
процессе рассеяния пучка поляризованных электронов на
поляризованной нейтронной мишени. Поперечная асимметрия
напрямую связано с отношением электрического и магнитного формфакторов нейтрона:
2  (  1) tan( 2)
GEn
AT   n
,
n
n 2
GM (GE GM )  (  2 (1   ) tan 2 ( / 2))
(1.2)
Далее используя имеющиеся экспериментальные данные по
магнитному форм-фактору и полученное в эксперименте значение
поперечной асимметрии АТ, было получено значение электрического
форм-фактора нейтрона [3].
Новизна научного подхода. Комплекс оригинальных решений по
методике эксперимента, анализу экспериментальных данных и
калибровке детекторных систем обеспечил успех эксперимента.
Высокая производительность эксперимента была достигнута за
счет оптимального выбора вертикального и горизонтального углового
захватов детектора и диапазона по переданному импульсу.
Был использован спектрометр с большим телесным углом
BigBite, обеспечивший адекватное для исследования квази-упругого
рассеяния импульсное разрешение. Разработанная методика и пакет
программ для оптимизации параметров временных сдвигов и
положений для каждой проволочки дрейфовых камер [2], позволили
достичь координатного разрешения порядка 0.2 мм.
Триггер электронного детектора на базе калориметра с высоким
значением порога триггерных детекторов привел к минимизации
скорости счета триггера от фоновой загрузки и соответственно
многократному увеличению светимости, при которой можно
проводить эксперимент.
6
Триггер
нейтронного
детектора
формировался
путем
суммирования сигналов в адекватной группе нейтронных счетчиков,
что позволило использовать высокое значение порога и
соответственно уменьшить скорость счета от фоновых событий.
Оптимизированная защита нейтронного детектора позволила
значительно уменьшить скорость счета вето-детекторов без
существенного ухудшения эффективности режекции протонов.
Во время эксперимента направление поляризации мишени было
выбрано таким образом, чтобы минимизировать суммарную
погрешность измерения. Вместо традиционного измерения отношения
продольной и поперечной асимметрий, все пучковое время было
использовано для измерения поперечной асимметрии. Вклад
продольной асимметрии был минимизирован выбором направления
магнитного поля. Подобный подход позволил значительно улучшить
статистическую точность измерения
за счет незначительного
увеличения систематической ошибки.
При
анализе
данных
были
использованы
жесткие
кинематические ограничения для подавления неупругого канала. Что
особенно важно для больших значений переданного импульса,
поскольку вклад неупругих событий возрастает с увеличением
переданного импульса.
Разработан метод для экспериментального определения
эффективности режекции протонов, основанный на сравнении
отношений скоростей счета квази-упругих событий (e , e ' n) и (e , e ' p)
для мишеней с различным отношением числа нейтронов и протонов.
Практическая ценность работы. Впервые получены данные
по электрическому форм-фактору нейтрона в области переданного
импульса, где доминирует вклад валентных кварков. Диапазон по
значениям переданного импульса был расширен более чем в два раза
до 3.4(ГэВ/с)2. Знание электрического форм-фактора нейтрона имеет
важнейшее значение для проверки формализма ОПР. Благодаря
полученным экспериментальным данным, обнаружена природа
скейлинга в зависимости отношения форм-факторов протона F1 и F2
от переданного импульса.
С помощью разработанного пакета программ была проведена
калибровка аппаратуры в эксперименте по измерению форм-фактора
нейтрона. Разработанные программные и методические решения
впервые позволили с высокой точностью определить значение
7
электрического форм-фактора нейтрона при больших переданных
импульсах.
На базе разработанной методики и созданного программного
обеспечения в JLab была предложена и проведена серия
экспериментов с использованием спектрометра BigBite: Threshold Pion
Production [19]; Transversity (e,e’π-) [20]; Transversity (e,e’π+) [21];
Transversity Single Spin [22]; Quasi-Elastic Single Spin [23].
На основе разработанной экспериментальной методики был
сформулирован подход для постановки будущих экспериментов по
измерению электрического форм-фактора нейтрона при еще больших
значениях переданного импульса (до 10 (ГэВ/с)2) [7].
Автор выносит на защиту.
1. Физические результаты эксперимента:
a. Значения электрического форм-фактора нейтрона для
четырех значений Q2 = 1.2, 1.7, 2.5, 3.4 (ГэВ/с)2.
b. Разложения нуклонных форм-факторов на вклады u и
d кварков.
2. Методику калибровки и анализа данных многослойных
трековых детекторов.
3. Методику калибровки электромагнитного калориметра для
спектрометра с большим телесным углом.
4. Пакет программ для анализа экспериментальных данных
эксперимента по измерению форм-фактора нейтрона.
Личное участие автора в выполнении работы
1. Разработка экспериментального подхода к исследованию
электрического форм-фактора нейтрона.
2. Построение и наладка триггерной системы.
3. Обеспечение работы триггерной системы и системы сбора
данных (DAQ) в процессе проведения эксперимента.
4. Разработка программного обеспечения для калибровки
многопроволочных дрейфовых камер, электромагнитного
калориметра.
5. Разработка программного обеспечения для анализа
экспериментальных данных и получения физических
результатов.
Публикации: Основное содержание диссертации отражено в
статьях 1, 2, 3, которые внесены в список литературы автореферата.
8
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из
введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Объем диссертации составляет 112 страниц, в том числе 44 рисунков,
3 таблицы и список литературы из 85 наименований.
Содержание работы
Во введении дается общая характеристика работы. Излагается
физическая актуальность выполненной работы. Приведен краткий
обзор предшествующих экспериментальных данных и существующих
теоретических моделей по форм-факторам нуклона.
В главе 1 дается общее описание упругого рассеяния электрона
на нуклоне. Сформулирован подход к изучению форм-фактора
нейтрона посредством квазиупругого рассеяния электрона на
нейтроне. Дается описание поляризационного метода в применении к
исследованию форм-фактора нейтрона. Подробно описаны
результаты предшествующих экспериментальных данных по формфактором нуклона. Проведено сравнение существующих измерений с
теоретическими моделями.
В главе 2 даны описание и основные параметры установки, на
которой проводилось данное исследование [24].
Приведена схема и основные параметры линейного ускорителя
CEBAF [24], функционирующего в TJNAF (Thomas Jefferson National
Accelerator Facility). Дано описание экспериментального Зала А.
Линия пучка зала А оборудована двумя поляриметрами
электронного пучка, двумя системами измерения энергии пучка,
расширяющейся вакуумной трубой после мишени и устройством
поглощения пучка “Beam Dump”.
Положение пучка контролируется несколькими датчиками
“BPM” (beam position monitor), которые калибруются с помощью
детекторов “HARP” [24]. В качестве мишеней могут использоваться
различные варианты твердых, газовых, поляризованных, криогенных
мишеней.
В главе также приведены схема и основные параметры
детекторных систем и мишени, использованных во время
эксперимента по измерению форм-фактора нейтрона (рис. 1).
9
Приведено описание спектрометра BigBite [25], использованого для
регистрации электронов и режекции пионов. Описан большой
нейтронный детектор BigHand [25], использованный для регистрации
нейтронов. Приведено описание протяженной поляризованной
3
мишени He .
В этой главе приводится детальное описание алгоритмов
использованных для калибровки детекторных систем спектрометра
BigBite: дрейфовых камер и электромагнитного калориметра [1].
Приведены, полученные в результате калибровки, значение
координатного разрешения для дрейфовых камер. Показана
достигнутая величина режекции пионов.
Рис. 1: Схема экспериментальной установки.
Глава 3 посвящена описанию методов анализа эксперимента.
Дано детальное описание методов анализа данных. Приведено
описание наложенных ограничений для выделения квазиупругого
спектра [2]. Детально описана процедура определения заряда
зарегистрированного адрона. Проведен анализ необходимых
поправок для получения физического результата.
Проведен расчет статистических и систематических ошибок.
В Главе 4 приведены физические результаты эксперимента по
измерению форм-фактора нейтрона для четырех кинематических
точек Q2 = 1.2 (ГэВ/c)2, 1.7 (ГэВ/c)2, 2.5 (ГэВ/c)2 и 3.4 (ГэВ/c)2 и их
интерпретация [3].
10
Экспериментальные результаты представлены на рисунке 2. На
рисунке представлены результаты этой работы: фиолетовый и
красные треугольники, а также опубликованные результаты ряда
предшествующих экспериментов [26, 27, 28, 29, 30, 31]. Кривыми
показаны результаты теоретических предсказаний от различных
моделей.
Как видно из рисунка, существующие до нашего измерения
данные по электрическому форм-фактору нейтрона (до 1.5 ГэВ2)
недостаточны для проверки теоретических моделей по формфакторам нейтрона. Поскольку в области малых переданных
импульсах
расхождения
между
различными
моделями
несущественны.
На рисунке представлена модель Болицкого-Джи [32]. Несмотря
на то, что данная модель хорошо описывает данные по протонным
форм-факторам, описание нейтронных форм-факторов полностью
противоречит полученным в нашей работе экспериментальным
результатам. Как указано в [32] совпадение с протонными данными
может быть следствием случайных сокращений.
Расчет электрического форм-фактора нейтрона на основе
уравнений Дайсона-Швингера показывает хорошее совпадение с
полученными экспериментальными данными при больших
переданных импульсах.
Рис. 2: Зависимость отношения,  GEn GMn , от квадрата переданного
импульса, Q2. Представлены результаты этой работы, а также
11
опубликованные результаты ряда предшествующих экспериментов
[26, 27, 28, 29, 30, 31]. Кривыми показаны результаты теоретических
предсказаний от различных моделей. пКХД (pQCD) [32], РККМ
(RQQM) [33], УДШ (DSE) [34], ОПР (GPD) [35] и МВД (VMD) [36].
На основе полученных в нашем и предыдущих [26, 27, 28, 29,
30, 31] экспериментах данных по электрическому форм-фактору
нейтрона, G En , и значений трех остальных упругих форм-факторов,
GEp , GMp и GMn , вычисленных на основе фита Келли [37] были
получены кварковые вклады в форм-факторы. Отношение
полученных вкладов u и d кварков в форм-фактор Дирака показано на
рисунке 3. Отношение, F1d F1u спадает с возрастанием Q2. Такое
поведение означает, что в соответствующей системе бесконечного
импульса зарядовое распределение d значительно шире, чем
распределение u кварка.
Рис. 3: Зависимость отношения вкладов u и d кварков в форм-фактор
Дирака от квадрата переданного импульса, Q2. Кривыми показаны
результаты теоретических предсказаний от различных моделей. пКХД
[32], РККМ [33], УДШ [34], ОПР [35], МВД [36] и
КХДр (Lattice QCD) [38].
Известное
предсказание
пертурбативной
квантовой
хромодинамики эксклюзивных процессов для зависимости отношения
12
форм-факторов протона [32],
F2
F1
1
, впервые проанализировано для
Q2
вкладов отдельных кварков. Приведен график описывающий природу
скейлинга в зависимости отношения форм-факторов протона F1 и F2
от квадрата переданного импульса (рис. 4). На рисунке представлены
Su ( d )  Q2 F2u ( d ) F1u ( d )
величины
для
кварков
и
величины
S p ( n)  Q2 F2p ( n) F1 p ( n) для протонов и нейтронов. Приведенный график
показывает, что наблюдаемое при значениях квадрата переданного
порядка нескольких (ГэВ/c)2 поведение отношения форм-факторов
Дирака и Паули для протона обусловлено компенсацией кварковых
вкладов.
Таким
образом,
нами
впервые
получены
значения
электрического форм-фактора нейтрона в области доминирования
валентных кварков. Полученные результаты позволили провести
разложение по кварковым вкладам в форм-факторы и обнаружить ряд
интересных особенностей, как для упругих форм-факторов нейтрона,
так и для кварковых составляющих.
Рис. 4: Зависимость отношения форм-факторов Дирака и Паули
помноженного на квадрат переданного импульса, S  Q 2 F2 F1 , от
квадрата переданного импульса. Кривыми показаны результаты
13
теоретических
предсказаний
ln 2 (Q2  2 ),   300MeV [32].
по
модели
Болицкого-Джи:
В Заключении сформулированы основные результаты и выводы
работы.
1. Проведен эксперимент по измерению электрического формфактора нейтрона, G En , при больших переданных импульсах,
получены значения G En , для четырех кинематических точек:
Q2 = 1.2, 1.7, 2.5 и 3.4 (ГэВ/c)2. Впервые получены результаты
по электрическому форм-фактору нейтрона в области
переданного импульса, где доминирует вклад валентных
кварков [1].
2. Разработана и отлажена процедура калибровки многослойных
трековых детекторов. Для дрейфовых камер достигнуто
координатное разрешение ~ 0.2 мм [2].
3. Создана система программных пакетов для анализа данных
эксперимента по измерению форм-фактора нейтрона [3].
4. На основе полученных данных были рассчитаны вклады
кварков в форм-факторы Дирака и Паули. Обнаружена
природа скейлинга в зависимости отношения форм-факторов
протона F1 и F2 от переданного импульса. Установлено, что
зарядовое распределение d кварка значительно шире
зарядового распределения u кварка [1].
Литература
Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
[1] S. Riordan, S. Abrahamyan et. al., “Measurements of the Electric
Form Factor of the Neutron up to Q2  3.4 GeV2 Using the Reaction
3
He(e , e, n) pp ”, Phys. Rev. Lett., 105, 262302, 5pp. 2010
[2] С. Абрамян «Калибровка дрейфовых камер и калориметра
спектрометра BigBite» Известия НАН Армения, Физика, т. 43, #5,
с.364-374, 2011.
[3] С. Абрамян, “Извлечение асимметрии в эксперименте по
измерению форм-фактора нейтрона при больших переданных
импульсах”, Известия НАН Армения, Физика, т. 43, #5, с.364-374,
2011.
14
Цитируемая литература:
[4] B. Wojtsekhowski, G. Rosner, Z.-E. Meziani, G. Cates, N. Liyange, et
al., “Measurement of neutron spin asymmetry A1n in the valence quark
region using 8.8 GeV and 6.6 GeV beam energies and BigBite
spectrometer in Hall A”, JLab experiment PR12-06-122, 43pp.
[5] E.J. Brash, M.K. Jones, C.F. Perdrisat, V. Punjabi, et al., “GEp/GMp
with an 11 GeV electron beam” JLab experiment PR12-09-001, 37pp.
[6] C.F. Perdrisat, L.P. Pentchev, E. Cisbani, V. Punjabi, M. Khandaker,
B. Wojtsekhowski, S. Abrahamyan et al., “Large Acceptance Proton
Form Factor Ratio Measurements at 13 and 15 (GeV/c)2 Using Rеcoil
Polarization Method”, JLab experiment PR12-07-109, 52 pp.
[7] G. Cates, B. Wojtsekhowski, S. Riordan, S. Abrahamyan et al.,
“Measurement of the Neutron Electromagnetic Form Factor Ratio
GEn / GMn at High Q2”, JLab experiment PR-09-016, 61 pp.
[8] B. Quinn, B. Wojtsekhowski, R. Gilman, S. Abrahamyan et al.,
“Precision Measurement of the Neutron Magnetic Form Factor up to
Q2 = 18.0 (GeV/c)2 by the Ratio Method”, JLab experiment PR-09019, 62 pp.
[9] G. Cates, G.B. Franklin, B. Wojtsekhowski, S. Abrahamyan et al.,
“Measurement of the Semi-Inclusive π and K electro-production in DIS
regime from transversely polarized 3He target with the SBS & BB
spectrometers in Hall A”, JLab experiment PR-09-018, 77 pp.
[10] X. Ji, Phys. Rev. D 55, 7114 (1997), Phys. Rev. Lett. 78, 610 (1997).
[11] A.V. Radyushkin, Phys. Lett. B380, 417 (1996).
[12] A.V. Radyushkin, Phys. Rev. D58, 114008 (1998).
[13] S. Boffi and B. Pasquini, Riv. Nuovo Cimento Soc. Ital. Fis. 30, 387
(2007).
[14] X. Zheng et al., Phys. Rev. Lett. 92, 012004 (2004).
[15] A. Airapetian et al., Phys. Rev. Lett. 103, 152002 (2009).
[16] A. I. Akhieser, L.N. Rosenzweig, and I. M. Shmushkevich, Sov. Phys.
JETP 6, 588 (1958).
[17] R. G. Arnold, C. E. Carlson, and F. Gross, Phys. Rev. C 23, 363
(1981).
[18] G.Gates, N.Liyanage, K.McCormick, B.Reitz, B.Wojtsekhowski.
Measurement of the Neutron Electric Form Factor GEn at high Q2,
PAC 21 proposal (2001).
[19] R. Lindgren,
B.E. Norum,
J.R.M. Annand,
V. Nelyubin,
D.W. Higinbotham, et al., “Precision
Measurements
of
15
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
[32]
[33]
[34]
[35]
[36]
[37]
[38]
Electroproduction of π0 near Threshold: A Test of Chiral Dynamics”,
JLab experiment E04-007, 34pp.
J.-C. Peng, X. Jiang, et al., “Measurement of Single Target-Spin
Asymmetry in Semi-Inclusive n↑(e,eπ—) Reaction on a Transversely
Polarized 3He Target”, JLab experiment E06-010, 52pp.
H. Gao, E. Cisbani, et al., “Target Single Spin Asymmetry in SemiInclusive Deep-Inelastic (e,eπ+) Reaction on a Transversely Polarized
3
He Target”, JLab experiment E06-011, 49pp.
T. Averett, T. Holmstrom, R. Gilman, X. Jiang et al., “Target Normal
Single-Spin Asymmetry in Inclusive DIS n↑(e,e) with a Polarized 3He
Target”, JLab experiment E07-013, 22pp.
T. Averett, X. Jiang, J.-C. Peng et al., “Measurement of the Target
Single-Spin Asymmetry in Quasi-Elastic 3He↑”(e,e)”, JLab
experiment E05-015, 25pp.
J. Alcorn, et al., “Basic Instrumentation for Hall A at Jefferson Lab”,
Nucl. Instrum. Meth. A 522, p.294-346, 2004.
А. Шагинян, “Особенности
установки
для
исследования
двухчастичных эксклюзивных реакций при больших переданных
импульсах”, Известия НАН Армения, Физика, т. 43, #5, с.364374, 2008;
D. I. Glazier et al., Eur. Phys. J. A 24, 101 (2005).
B. Plaster et al., Phys. Rev. C 73, 025205 (2006).
H. Zhu et al., Phys. Rev. Lett. 87, 081801 (2001).
G. Warren et al., Phys. Rev. Lett. 92, 042301 (2004).
D. Rohe et al., Phys. Rev. Lett. 83, 4257 (1999).
J. Bermuth et al., Phys. Lett. B 564, 199 (2003).
A.V. Belitsky, X.D. Ji et. al., Phys. Rev. Lett. 91, 092003 (2003).
G. A. Miller, Phys. Rev. C 66, 032201(R) (2002).
C. D. Roberts et al., Eur. Phys. J. Special Topics 140, 53 (2007).
M. Diehl et al., Eur. Phys. J. C 39, 1 (2005).
E. L. Lomon, Phys. Rev. C 66, 045501 (2002).
J. J. Kelly, Phys. Rev. C 70, 068202 (2004).
J. D. Bratt et al., Phys. Rev. D 82, 094502 (2010).
16
Ամ փո փո ւ մ
Աշխատանքում ներկայացված են նեյտրոնի կառուցվածքի
ուսամնասիրման գիտափորձի արդյունքները: Անցկացված
գիտափորձը
հնարավորություն
ընձեռեց
բացահայտել
նուկլոններում փոքր հեռավորությունների վրա
քվարկների
բաշխման մինչ այդ անհայտ հատկությունները [1]:
Նուկլոնի կառուցվածքն և նրա հիմնական հատկանիշները`
լիցքը, մագնիսական մոմենտը, շառավիղը, հանդիսանում են
հիմնարար գիտական հետաքրքրության առարկա: Նուկլոնի
կառուցվածքի հետազոտությունը լավագույն մեթոդներից է
քվարկ-քվարկ
և
քվարկ-գլյուոն
փոխազդեցություններն
ուսամնասիրման համար:
Նեյտրոնի կառուցվածքի հետազոտությունն առանձնապես
կարևոր
է,
քանի
որ
նեյտրոնի
ֆորմ-ֆակտորների
փորձարարական տվյալների ճշտությունը զգալիորեն զիջում է
պրոտոնային ֆորմ-ֆակտորների տվյալների ճշտությանը:
Գիտափորձում չափվել են նեյտրոնի էլեկտրական ֆորմֆակտորի արժեքները, փոխանցված իմպուլսի քառակուսու` Q2 =
1.2, 1.7, 2.5, 3.4 (ԳէՎ/с)2 արժեքների համար: Ստացված
արդյունքները հնարավորություն ընձեռեցին բացահայտել, որ d
քվարկի բաշխումը պրոտոնում զգալիորեն լայն Է u քվարկի
բաշխումից: Բացահայտվել է պրոտոնի F1 և F2 ֆորմ-ֆակտորների
հարաբերության
փոխանցված
իմպուլսից
կախվածության
սկեյլինգի էությունը:
Մշակված փորձարարական մեթոդիկան, սարքավորումների
աստիճանավորման [2]
և
տվյալների
մշակման [3]
պրոցեդուրաները
օգտագործվելու
են
Ջեֆֆերսոնի
լաբորատորիայում
(ԱՄՆ)
հաստատված
մի
շարք
գիտափորձերում [4, 5, 6, 7, 8]:
Ներածության մեջ ներկայացված է աշխատանքի ընդհանուր
բնութագիրը և հետազոտված խնդիրների կարևորությունը:
Առաջին
գլխում
ներկայացված
է
էլեկտրոն-նուկլոն
առաձգական ցրման ընդհանուր բնութագիրը: Բերված է նեյտրոնի
ֆորմ-ֆակտորի էլեկտրոն-նեյտրոն քվազի-առաձգական ցրման
17
միջոցով
ուսումնասիրման
մեթոդները:
Նկարագրված
է
բևեռացման մեթոդը և դրա կիրառումը նեյտրոնի էլեկտրական
ֆորմ-ֆակտորի հետազոտման համար: Ներկայացված են
նուկլոնի ֆորմ-ֆակտորների հետազոտմանը նվիրված նախորդ
գիտափորձերի արդյունքները: Բերված են տեսական մոդելներն ու
հաշվարքները
և
դրանց
համեմատությունը
եղած
փորձարարական տվյալների հետ:
Երկրորդ
գլխում
բերված
է
փորձարարական
սարքավորումներիի նկարագրությունը: Բերված են CEBAF գծային
արագացուցչի հիմանկան բնութագրերը: Նկարագրված են
էլեկտրոնային և նեյտրոնային դետեկտորները: Մանրամասն
ներկայցված են դրեյֆային խցիկների և էլեկտամագնիսական
կալորիմետրի աստիճանավորման ալգորիթմները: Բերված են
դետեկտորների լուծողականությունը և այլ բնութագրերը:
Երրորդ գլխում նկարագրված են տվյալների մշակման
մեթոդիկան:
Բերված
է
քվազի-առաձգական
դեպքերի
ընտրությունն
իրականացնելու
համար
օգտագործվող
փոփոխականների
ստացումն
ու
դրանց
վրա
դրվող
սահմանափակումները: Ներկայացված է հադրոնի լիցքը որոշելու
մեթոդը: Բերված է նեյտրոնի էլեկտրական ֆորմ-ֆակտորի
ստացման համար անհրաժեշտ բոլոր էֆեկտների հաշվարքը:
Բերված է ստատիստիկ և սիստեմատիկ սխալների հաշվարքը:
Չորրորդ գլխում
բերված են գիտափորձում չափված
էլեկտրական ֆորմ-ֆակտորի արժեքները, փոխանցված իմպուլսի
քառակուսու` Q2 = 1.2, 1.7, 2.5, 3.4 (ԳէՎ/с)2 արժեքների համար:
Մանրամասն ներկայացված է տարբեր էֆեկտների ներդրումը
սիստեմտիկ սխալի մեջ: Ուսումնասիրված է ստացված
արդյունքների համեմատությունը տարբեր տեսական մեդելների և
հաշվարքների հետ: Բերված է նուկլոնի ֆորմ-ֆակտորների մեջ u
և d քվարկների ներդրման հաշվարքը:
Ամփոփման մեջ բերվում են ատենախոսության հիմնական
արդյունքներն ու հետևողությունները:
18
Resume
We present results of neutron structure study experiment. Results of
the experiment allowed us to identify previously unknown properties of
quarks distribution in nucleon on short distances [1].
The structure of the nucleon and its general properties such as charge,
magnetic moment, size and mass (and the appropriate form factors) are of
fundamental scientific interest. The nucleon is a laboratory for the study of
the quark-gluon interaction. Both nucleons, the proton and the neutron,
need to be explored. At present the proton has been more thoroughly
studied than the neutron. More data on the neutron is essential if we are to
make real progress in obtaining a complete description of the quark
structure of the nucleon.
The values of neutron electrical form-factors were measured at four
different transfer momentum values Q2 = 1.2, 1.7, 2.5, 3.4 (GeV/c)2.
Results of the experiment allowed us to figure out that d-quarks distribution
in proton is significantly wider than u-quarks distribution in proton. Results
allowed us to discover the nature of previously noticed scaling in proton
form-factors F1 and F2 ratio dependence on transfer momentum.
Developed experimental methods, apparatus calibration procedure [2]
and data analysis procedure [3] will be used in series of approved JLab
experiments [4, 5, 6, 7, 8, 9].
Introduction includes the description of presented work and physics
motivation.
In first chapter we described the electron-nucleon elastic scattering. It
also includes description of neutron form-factor study based on quasyelastic electron-nucleon scattering. We presented the double-polarization
method for neutron electric form-factor measurement. We made the
comparison of previously measured data on nucleon form-factors with
number of theoretical models and calculations.
Second chapter includes description of experimental apparatus. We
described here main characteristics of CEBAF linear accelerator. The main
experimental detectors: BigHAND neutron detector and BigBite electron
spectrometer are also described in details. We presented here multichannel
drift chambers and electromagnetic calorimeter calibration procedures.
Achieved resolutions, and other characteristics of those detectors also
presented in this chapter.
In third chapter we presented data analysis procedure. We gave a
detailed description of quasi-elastic sample selection. We presented the
calculation of variables and cuts placed on those variables, necessary for
19
proper selection of quasi-elastic events. We described in details hadrons
charge identification procedure based on veto-detectors. We presented the
calculation of all dilution factors which are necessary for neutron electric
form-factor extraction from measured asymmetry.
In forth chapter we presented the values of neutron electric form
factor for four values of transfer momentum Q2 = 1.2, 1.7, 2.5 and
3.4 (GeV/c)2. The detailed description of different effects contribution to
the systematic error is also presented here. We studied the comparison of
measured values with different theoretical models and calculations. We
also presented here the extraction of u and d quarks contributions to the
nucleon form-factors.
In conclusion we presented the main results and physical
interpretation of those results.
20