Reševanje protonske uganke s precizijsko meritvijo oblikovnih faktorjev protona pri izjemno majhnih prenosih energije in gibalne količine
Oznaka in naziv projekta
Z1-7305 - Reševanje protonske uganke s precizijsko meritvijo oblikovnih faktorjev protona pri izjemno majhnih prenosih energije in gibalne količine
Z1-7305 - Puzzling out the proton radius puzzle with a high precision measurement of proton charge form-factors at extremely low momentum transfers
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: dr. Miha Mihalovič
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Projektno telo
Dani temeljni podoktorski projekt ob pomoči sodelavcev Odseka za fiziko nizkih in srednjih energij ter v sodelovanju z Institutom za jedrsko fiziko univerze v Mainzu, vodi in izvaja Miha Mihovilovic.
Vsebinski opis projekta
V okviru danega projekta bomo izvedli novo precizijsko meritev oblikovnih faktorjev protona pri izjemno majhnih prenosih energije in gibalne količine, ki bi nam ponudila nov vpogled v nepojasnjene razlike med sodobnimi meritvami polmera protona. Takoimenovana protonska uganka je se nerešen problem jedrske fizike, ki je, zaradi potencialnih resnih posledic na naše razumevanje fizikalnega sveta, v zadnjih nekaj letih med fiziki postal ena najbolj burnih in vročih tem. O pomembnosti problema pričajo številni članki v najbolj priznanih znanstvenih žurnalih, kot sta Nature (Pohl et al., 2010) in Science (Antognini et al., 2013) ter tudi mnoge objave v revijah za širšo javnost kot je Scientific American (Bernauer and Pohl, 2014).
Lastnosti in zgradbo protona fiziki preučujemo od samih začetkov eksperimentalne hadronske fizike. Njegovo velikost smo določili z različnimi eksperimenti sipanja elektronov na vodiku, kot tudi z vrsto atomskih meritev Lambovega premika in z obema pristopoma dobimo skladne vrednosti. Na žalost pa se te ne ujemajo z novimi, zelo natančnimi meritvami Lambovega premika v mionskem vodiku, kjer namesto elektronov okrog protonov krožijo mioni. Te meritve navajajo povprečni nabojni radij protona, ki se razlikuje za kar 8-sigma od do sedaj sprejete vrednosti. Ta ogromna razlika je zelo razburila fizikalno skupnost, saj je ni mogoče pojasniti v okviru obstoječih teorij, niti je ni mogoče tolmačiti kot eksperimentalno napako. Posledično se je pojavila vrsta potencialnih razlag, ki utegnejo pojasniti opaženo razliko in segajo vse od idej o novih delcih, ki niso del Standardnega Modela, do drznih domnev o nepopolnosti kvantne elektrodinamike, ki velja za najbolj dovršeno fizikalno teorijo. Da bi lahko preverili katerokoli od predlaganih hipotez, potrebujeno nove, natančne meritve in sipalni ekspriment, ki ga izvajamo v MAMI, vsekakor predstavlja potrebno protiutež spektroskopskim meritvam v mionskem vodiku.
V sipalnem eksperimentu polmer protona določimo posredno z meritvijo sipalnega preseka za elastično sipanje elektronov na vodikovih jedrih. Izmerjeni sipalni presek je odvisen od oblikovnih faktorjev GEp in GMp, ki nosita informacijo o porazdelitvi naboja in magnetizacije v protonu, in ju iz izmerjenih podatkov izluščimo z Rosenbluthovo separacijo. Nabojni radij protona ustreza naklonu električnega oblikovnega faktorja GEp pri Q**2=0, kjer je Q**2 kvadrat četverca prenosa gibalne količine. Na žalost meritve pri Q**2 < 0.0035 (GeV/c)**2, ki bi omogočale zanesljivo in natančno določitev polmera protona, še ne obstajajo, zato ga zaenkrat določimo z ekstrapolacijo obstoječih vrednosti GEp proti Q**2=0. Tako dobljena vrednost je močno odvisna od podrobnosti ekstrapolacije, ki pa je pogojena z natančnostjo razpoložljivih vrednosti GEp. Da bi zmanjšali negotovosti, nujno potrebujemo nove meritve GEp pri Q**2 < 0.0035 (GeV/c)**2, a smo pri tem omejeni z najmanjšim Q**2, ki ga lahko doseže uporabljeni eksperimentalni sestav (navzdol smo omejeni tako z najmanjšo razpoložljivo energijo elektronskega žarka, kot tudi z najmanjšim sipalnim kotom, h kateremu še lahko postavimo spektrometre). Da bi se ognili tej omejitvi, bomo v našem eksperimentu izkoriščamo informacijo, shranjeno v sevalnem repu elastičnega vrha, ki omogoča določitev oblikovnih faktorjev pri zelo majhnih Q**2.
K sevalnemu repu elastičnega vrha največ prispevata Bethe-Heitlerjeva diagrama sevanja v začetnem in končnem stanju. Diagram sevanja v začetnem stanju opiše proces, kjer vpadni elektron izseva realni foton pred interakcijo s protonom. Ker foton odvzame del energije elektronu, je gibalna količina, ki jo ta preda protonu, manjša, kot bi bila sicer. S tem ponudi možnost raziskovanja strukture protona pri Q**2, ki so bistveno manjši kot je vrednost, ki jo določa kinematska postavitev eksperimentalnega sestava. Na drugi strani diagram sevanja v končnem stanju opiše proces, kjer elektron izseva realni foton šele po interakciji s protonom. Posledično je gibalna količina, ki jo elektron preda protonu, nespremenjena, medtem ko je vrednost, ki jo izmerimo, zopet manjša. Zaradi tega Bethe-Heitlerjevih procesov v eksperimentalnih podatkih ne moremo ločiti. Da bi dosegli informacijo, ki ustreza le sevanju v začetnem stanju, moramo meritve obravnavnavati skupaj z natančno Monte-Carlo simulacijo. Simulacija razpolaga z zelo naprednim generatorjem dogodkov, ki eksaktno izračuna amplitude za Feynmanove diagrame prvega reda in uporabi efektivne popravke k sipalnemu preseku šele v naslednjem redu.
Mertive opisanih procesov izvajamo s pospeševalnikom Mainzer Microtron (MAMI), ki generira zvezen žarek polariziranih elektronov z energijami do 1.5GeV. Žarek je izredno kakovosten in stabilen ter ga je moč uporabiti v treh eksperimentalnih dvoranah. Največja izmed njih je dvorana A1, ki je opremljena s tremi magnetnimi spektrometri, in je namenjena natančni analizi nabitih delcev. Spektrometri (A,B,C) imajo izjemno kotno in energijsko ločljivost. Hkrati imajo tudi veliko energijsko sprejemljivost ter jih je moč zavrteti na katerikoli sipalni kot med 15 in 160 stopinjami, kar nam daje edinstveno kinematsko priložnost za natančno meritev oblikovnih faktorjev protona.
Predstavljeni poskus je del večjega eksperimentalnega programa na Institutu za jedrsko fiziko Univerze Johannesa Gutenberga, ki je posebej posvečen natančnim meritvam oblikovnih faktorjev nukleonov pri zelo majhnih Q**2.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani. Povezava na SICRIS.
Predvidene faze projekta
Dvoletni podoktorski projekt je razdeljen na 3 ključne faze: pregled in analiza starih podatkov ter nadaljnji razvoj simulacije, priprava in izvedba meritev, analiza zajetih podatkov.
1. Faza
Večina eksperimentalne opreme, ki jo potrebujemo za uspešno izvedbo eksperimenta na pospeševalniku MAMI, je že na voljo, manjka le helijev balon za spektrometer B. Zato bomo najprej osnovali balon, s katerim želimo nadomestiti običajni kovinski rilec spektrometra in tako zmanjšati ozadje v izmerjenih spektrih. Načrtovanje balona in iskanje ustreznega aranžmaja za njegovo izdelavo bo predvidoma trajalo 2 meseca. Ravno toliko bo trajala tudi izdelava balona v izbranem podjetju. Med čakanjem na balon bomo pričeli z vgradnjo izboljšav v obstoječi program za simuliranje sevalnih repov. Implementirali bomo (interne) realne in virtualne sevalne popravke k osnovnim Bethe-Heitlerjevim diagramom ter izboljšali eksterne sevalne popravke. Dodali bomo tudi programsko kodo, ki bo pravilno upoštevala energijske izgube delcev v helijevem balonu. Izboljšano in razširjeno simulacijo bomo nato ustrezno umerili z uporabo pravih podatkov. Poleg tega bomo stare meritve uporabili tudi za odkrivanje skritih ozadij, ki do sedaj še niso bila opažena in bi lahko omejila končno natančnost predlaganega eksperimenta. Ocenjujemo, da bomo za izvedbo celotnega prvega dela projekta potrebovali 8 mesecev in ga bomo lahko v celoti izvedli v Ljubljani.
2. Faza
Izvedba meritve (točen pričetek meritevje odvisen od razpoložljivih terminov na pospeševalniku MAMI) bodo trajale 7 tednov. Prva 2 tedna bomo namenili montaži helijevega balona na spektrometer B (1 teden), umeritvi tarčne folije pravokotno na smer elektronskega žarka z geodetskimi teodoliti (3 dni), pripravi sistemov za detekcijo delcev (2 dni) in prvim preizkusom delovanja detektorjev s kozmičnimi delci. Vse potrebne spremembe in dogradnje eksperimentalnega sestava bomo izvedli s pomočjo izkušenega tehničnega osebja, ki je ustrezno opremljeno za izvedbo načrtovanih sprememb. Zajemanje podatkov bo nato trajalo 4 tedne in bo obsegalo meritve 42 različnih kinematskih točk, najprej s produkcijsko plastično tarčo, nato pa še z ogljikovo tarčo za določitev spektralnega ozadja. Pri ocenjevanju potrebnega časa smo upoštevali 70% učinkovitost (žarek na tarči) pospeševalnika MAMI, predvideli 1 dan za zajemanje kalibracijskih podatkov in dodali še nekaj dodatnih dni, potrebnih za vzdrževanje pospeševalnika in popravilo morebitnih okvar eksperimentalne opreme (npr. iztekanje hladilne vode). V času eksperimenta zajemanje podatkov poteka 24 ur na dan vse dni v tednu in zahteva nenehno prisotnost vsaj enega raziskovalca. Delo je razdeljeno v štiri 8-urne izmene, ki jih bodo zapolnili znanstveno osebje Kolaboracije A1, študentje Univerze v Mainzu ter sodelavci iz drugih inštitutov, ki so pripravljeni sodelovati na eksperimentu. Po končanem eksperimentu potrebujemo teden dni za vrnitev eksperimentalne opreme v njeno prvotno stanje.
3. Faza
Preostali čas projekta bomo namenili analizi eksperimentalnih podatkov. Najprej bomo z uporabo kalibracijskih podatkov preverili delovanje detektorskih sistemov in določili njihovo učinkovitost za detekcijo elektronov. To zahteva mesec dni dela. Nato bomo preučili optične lastnosti magnetnih spektrometrov, kar je ključno za dosego njihove optimalne kotne in energijske ločljivosti. Natančen študij optičnih karakteristik spektrometrov je običajno zelo zahteven in bo predvidoma trajal 2 meseca. Za izbiro ustreznih kinematskih rezov in sistematično študijo njihovega vpliva na podatke bomo prav tako potrebovali 2 meseca. Potem ko bomo enkrat dovolj dobro razumeli vse podrobnosti eksperimenta, bomo lahko pričeli primerjati produkcijske podatke in simulacijo. Da bi našli najboljše ujemanje med njima, bomo simulacijo izvedli z različnimi parameterizacijami oblikovnih faktorjev in ko bomo poznali pravo funkcijsko odvisnost GEp, bomo lahko določili tudi novo vrednost nabojnega polmera protona. Ker moramo vsako od simulacij pognati z izredno velikim številom dogodkov za dosego statistično signifikantne napovedi, bo ta del, skupaj z ustreznim študijem sistematskih napak, trajal predvidoma 6-7 mesecev. Preostali čas (2 meseca) bomo namenili pripravi potencialne publikacije o rezultatih predlaganega eksperimenta.
Bibliografske reference
Povezave
Delavnice in koference
GRC Photonuclear Reactions 2016: New Trends in Probing Quark-Gluon Dynamics
13th International Workshop on Meson Production, Properties and Interaction , MESON 2014
Zadnja sprememba : 31.1.2017