BESIII实验上中子类时结构函数研究

Nucleon is the dominant and fundamental constituent of known matter world, study of its structure is of crucial importance. Many experiments, such as JLAB, ELSA, BES, CLEO and BABAR, accumulated rich results of proton electromagnetic form factors measurement, but lack results of neutron. Recently, SND and FENICE collaboration respectively published their results of neutron time-like form factors in the momenta transfer region of 1.86 to 2 (GeV/c) and 2 to 2.5 (GeV/c). The measured ratios of proton form factors over neutron form factors are greater than one. However, predicted ratios by perturbative QCD are less than one. In addition, the ratios predicted by other models are also inconsistent with each other. Clarification of the ratios conflict needs measurements that are more precise. Precise measurements depend on neutron detection and identification. Using electron-positron collision data under 12 different center-mass energies ranging from 2 to 3.08 GeV collected by the BESIII experiment, neutron form factors will be measured at an average accuracy of 10-20%. This study will clarify the ratios conflict.

核子是宇宙已知物质中最主要的基本组成部分，其内部结构的研究至关重要。很多实验，诸如JLAB,ELSA,BES,CLEO和BABAR等积累了丰富的质子电磁结构函数的测量数据，然而缺乏中子的测量数据。最近SND与FENICE实验分别在动量转移1.86到2(GeV/c)区间和2到2.5(GeV/c)区间发表了中子类时结构函数的测量结果。根据这些结果，中子类时结构函数的幅度值与质子的比值大于一，然而微扰QCD模型预言该比值约为二分之一。对于该比值，其它模型所预言的结果也有比较大的差异。澄清这个矛盾需要更精确的测量。精确测量的难点在于中子的探测与鉴别。本研究使用飞行时间来鉴别中子，是同类实验中首次应用的新方法。使用BESIII实验组在12个能量点下采集的正负电子对撞数据，动量转移范围从2到3.08(GeV/c),我们预期中子的结构函数平均测量精度在10%~20%水平。该研究将解决上述矛盾。

核子是自然界一切可见物质的主要组分。迄今为止，其基本性质仍有许多问题未被完全理解。当前，质子的实验结果已日益精确。但是，中子的研究始终进展缓慢。在过去数十年，仅有两家实验组发表了正负电子到中子反中子对过程的测量结果。1998年位于意大利的FENICE实验和2014年位于俄罗斯的SND实验都观测到虚光子与中子之间的耦合强于虚光子与质子之间的耦合。该结果不仅与夸克模型的预期不符，亦与大部分低能有效理论如矢量介子交换模型等不符，即所谓的光子-核子耦合反常之谜。.该项目依托北京正负电子对撞机和第三代北京谱仪实验来解决上述谜题。项目采用从2012年至2015年在2.0-3.08GeV能量范围内18个能量点下所采集的、积分亮度为647pb^-1的对撞数据；在2.2324和2.644GeV下所采集的约1亿非对撞事例，以及100亿J/ψ事例。实验团队专门开发了中性过程的分析算法，研究了(反)中子和光子等中性粒子的重建、鉴别和效率校准，并利用正负电子湮灭到双光子过程和J/ψ→π^+ π^- π^0→π^+ π^- γγ过程验证了算法的可靠性。实验团队通过综合分析探测器中的数字化时间幅度信号、正负电子对撞周期、机器背景和宇宙线背景等，成功地找到了数千个信号事件。与之前的实验结果相比，统计量提高了60倍以上。由此，项目获得了18个能量点下的中子有效电磁形状因子幅度值。.研究结果于2021年11月8日在《Nature Physics》第11期17卷以封面文章发表。该研究取得了目前为止世界范围内最精确的中子电磁形状因子的测量结果，澄清了在该领域中持续二十余年的光子-核子相互作用反常之谜，并首次发现了中子精细电磁结构中的振荡现象。这是理解核子基本性质的新里程碑。