BESIII上核子形状因子及Λ重子对近阈产生截面的研究

Electromagnetic form factor (FF) is an important parameter to understand the internal structure of baryon and the strong interaction. Experimentally, there are lots of results for the proton time-like FF with pretty precise results on the effective FF. However, for the electromagnetic FF ratio |GE/GM|, there are three experimental results (PS170, BaBar and BESIII), where the first two has large difference near threshold. For the neutron FF, there are only two experimental results (FENICE and SND) with accuracy between 20% and 30%. Compare with the nucleon FF, the experimental results on the other baryons are scarce. For the Λ baryon, only DM2 and BaBar measured its production cross section with an accuracy larger than 20%. Due to the Coulomb interaction, in theory, it predicts the cross section of charged baryon pair is not zero close to threshold, while the cross section of neutral baryon pair is zero. However, there are no experimental results to prove such argument. With 500pb-1 data collected at BESIII from 2.0 to 3.08 GeV, this program is going to measure the FF of baryon pair process (e+e- ->pp/nn/ΛΛ) and the cross section of e+e- ->ΛΛ close to threshold, to test the corresponding theory for the strong interactions.

电磁形状因子是研究重子内部结构及理解强相互作用的重要参数之一，实验上，已有大量的实验测量质子的类时空间形状因子，得到了较为精确的结果。对于质子的电磁形状因子之比，目前有三组实验（PS170，BaBar和BESIII）给出实验结果，并且前两者在阈值附近的结果有很大差异。对于中子形状因子，目前有两组实验（FENICE和SND）结果，其截面精度在20%-30%。但是其他重子的形状因子实验结果很是匮乏，对于Λ重子，目前有DM2实验和BaBar的实验结果，精度大于20%。在阈值附近，由于库伦相互作用的影响，理论上带电重子的截面不为零，中性重子对的截面为0。但实验上并没有验证重子对在阈值上的结果。利用北京谱仪BESIII在连续能区取得的近500pb-1大样本数据，本项目拟测量重子对过程（e+e- ->pp/nn/ΛΛ）的形状因子及e+e- ->ΛΛ在阈值的产生截面，以对强相互作用的相关理论进行检验。

核子作为一种普通重子，是组成目前可观测世界的主要成分。自从1919年质子的发现，伴随着这百余年来理论和实验方法的发展，我们对核子的认知也在不断改变，从一开始认为的点状粒子，后来发现其应该有内部结构。但随着对核子内部结构认知的深入，越来越多的谜题也伴随而来。核子形状因子作为核子最基本的观测量，可以研究核子内部结构和动力学，还可以验证基于QCD理论的各种唯象模型。通过“置换”核子内部的u夸克和d夸克为s夸克，可以得到更重的重子，称之为超子。单光子交换下，正负电子对湮灭到重子对的过程可以用电磁形状因子表示，其中库伦修正表征末态点状费米子的库仑力修正，使得带电重子对的阈值产生截面不为0。对于中性重子对，其在阈值产生截面为0。由于核子对在阈值产生动量很小难以重建，而超子的衰变末态具有动量，通过研究超子的阈值截面等，可以更好的帮助理解核子内部结构。该项目利用BESIII在连续区取得了大量数据，测量了类时空间核子形状因子的最高精度，其中质子对的玻恩截面最高精度为3.0%，中子对的玻恩截面最高精度为7.3%，为解释核子的内部结构提供重要实验输入，并且联合质子和中子的研究，能够检验基于QCD的微扰和非微扰理论，如VMD模型，pQCD理论，格点QCD理论等。此外，我们研究了重子的近阈截面产生，分别在正负电子湮灭到Lambdac与Lambda重子对的产生阈值附近观测到反常的截面增强，该结果揭示了重子对阈值产生的复杂性。实验结果引起广泛的理论讨论，包括末态相互作用的提出、阈值附近共振态效应、Sommerfeld因子进一步修正等。以上结果使得我们对核子的内部结构理解进一步深入，并且这些结果已发表在相关杂志上，为研究重子的产生机制和内部结构提供了高精度的实验数据，引起相关领域理论家的重视。