Authors:	Larin, Paul
Advisor:	Maas, Frank
Title:	Measurement of the Timelike Electromagnetic Form Factors of the Neutron at the BESIII Experiment with the Process e+e− → nn
Online publication date:	30-Jun-2021
Year of first publication:	2021
Language:	english
Abstract:	The investigation of the fundamental properties of the nucleon is one of the most important topics in modern hadron physics. The precise knowledge of its internal structure in terms of quark and gluon degrees of freedom, accessible through the electromagnetic probe, is crucial for the understanding of the strong interaction. This structure can be studied through the measurement of the electromagnetic form factor (FF). Starting with the groundbreaking work of Hofstadter, many experiments successfully extended the picture of the spatial electromagnetic distribution densities of protons and neutrons in the spacelike region with a negative momentum transfer q2 < 0. In contrast, the experimental situation of the FF in the timelike region (q2 > 0) is less clear. In particular, the investigation on the timelike FF of the neutron has been done only by three experiments up to date. Moreover, limited statistics permitted to determine only the effective FF. While in the case of the proton, at least several experiments measured the magnetic FF and the electromagnetic FF ratio, the neutron FF remains mainly unknown. In this thesis, the first measurement of the magnetic FF |Gn M(q2)| and the electromagnetic FF ratio of the neutron |Gn E(q2)|/|Gn M(q2)|, determined at five center-of-mass energies from the final state angular distribution in the reaction e^+e^− → nn, is reported. The analyzed data set covers the center-of-mass energy range between 2.00 and 3.08 GeV with a total integrated luminosity of 651 pb^-1 and was collected at the BESIII experiment at the BEPCII collider in Beijing, China. The Born cross section and the effective FF are analyzed from 18 data sets, using Monte Carlo simulation with dedicated event generators for the determination of the selection efficiency. Corrections of the selection efficiency determined from the Monte Carlo simulation are obtained with data-driven methods. Radiative QED corrections are implemented. The results from this work are a significant addition to the database, extending the knowledge of the electromagnetic FF of the neutron in a wide momentum transfer region and therefore contribute to the understanding of the nucleon in the framework of strong interaction. They will serve as a new reference in every physics context where FFs are needed as input, for example helping to distinguish between a variety of phenomenological and theory-inspired parametrizations for the electromagnetic structure of the nucleon, or serving as input parameters for a new generation of Monte Carlo based event generators. Die Untersuchung der fundamentalen Eigenschaften des Nukleons ist eine der wichtigsten Herausforderungen der modernen Hadronenphysik. Die Kenntnis der inneren Struktur des Nukleons in Bezug auf die quarkonischen und gluonischen Freiheitsgrade ist Vorraussetzung für das Verständnis der starken Wechselwirkung. Das Studium der Struktur durch die Messung des elektromagnetischen Formfaktors (FF) ist möglich mit Hilfe der elektromagnetischen Probe. Seit den richtungsweisenden Resultaten von Hofstadter haben viele Experimente erfolgreich das heutige Bild der elektromagnetischen Ladungsverteilung geprägt. Insbesondere wurden die FF vom Proton und vom Neutron im raumartigen Impulsübertragsbereich mit negativem Impulsübertrag q2 < 0 in zahlreichen Experimenten vermessen. Im Gegensatz dazu gibt es nur wenige experimentelle Ergebnisse im zeitartigen Bereich (q2 > 0). Bis heute haben nur drei Experimente und wegen geringer Statistik nur den effektiven zeitartigen FF des Neutrons vermessen. Folglich und im Gegensatz zur Situation für das Proton, ist die Datenlage für das Neutrons sehr begrenzt. In dieser Arbeit wird die erste Messung des magnetischen FF |Gn M(q2)| und des elektromagnetischen Formfaktorverhältnisses |Gn E(q2)|/|Gn M(q2)| des Neutrons im zeitartigen Bereich vorgestellt. Dabei wird die Winkelverteilung des Endzustandes im Prozess e+e− → nn bei fünf Schwerpunktsenergien analysiert. Die Analyse beruht auf einem Datensatz des BESIII Experiments am BEPCII Kollider in Beijing, China, und deckt die Schwerpunktsenergie zwischen 2.0 und 3.08 GeV mit einer Gesamtluminosität von 651 pb−1 ab. Der Born-Wirkungsquerschnitt und der daraus bestimmte effektive Formfaktor werden bei 18 Schwerpunktsenergien vermessen, wobei Monte Carlo Simulationen dedizierter Ereignisgeneratoren zur Bestimmung der Selektionseffizienz verwendet werden. Wegen Ungenauigkeiten in der Simulation des Prozesses werden die Monte Carlo-Simulationen mit Hilfe Daten-getriebener Methoden korrigiert. QED-Strahlungskorrekturen werden mit Hilfe der Simulation vom Ereignisgenerator angebracht. Die hier präsentierten Ergebnisse stellen die Datenlage für den zeitartigen Formfaktor des Neutrons zum ersten Mal auf solide Füße und helfen beim Verständnis des Nukleons im Rahmen der starken Wechselwirkung. Sie werden in Zukunft als Referenz dienen und zum Beispiel dabei helfen eine bessere Kategorisierung zwischen der Vielzahl phänomenologischer und Theorie-inspirierter Parametrisierungen für die elektromagnetische Struktur des Nukleons zu ermöglichen oder als Parameter für eine neue Generation von Monte Carlo Ereignisgeneratoren einfließen.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-6010
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-65211207-b005-4165-a1ef-c0e8b11148d91
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY-ND
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/
Extent:	x, 370 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen