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Authors: Rosner, Christoph
Title: Measurement of the Timelike Electromagnetic Form Factors of the Proton at the BESIII Experiment through the Process e +e − → pp¯
Online publication date: 30-Aug-2021
Language: german
Abstract: Obwohl das Proton zu den wichtigsten Bausteinen gehört, aus denen die Materie in unserem Universum zusammengesetzt ist, ist es bis heute im Bezug auf seine Gluon- und Quark-Struktur wenig verstanden. Diese fundamentalen Eigenschaften des Protons besser zu verstehen gehört zu den wichtigsten und herausforderndsten Zielen der modernen Kernphysik. Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit den Elektomagnetischen Formfaktoren eine der messbaren Größen, die die Struktur und innere Dynamik des Protons beschreibt, mit bisher unerreichter Präzision gemessen, indem im Jahr 2015 am BESIII Experiment erhobene Daten ausgewertet wurden. In dieser Arbeit wurde der Prozess $e^+e^-\rightarrow p\bar{p}$ unter Verwendung von Daten mit einer integrierten Luminosität von 688.5 pb$^{-1}$ zum ersten Mal mit Hilfe der Scan-Techik analysiert. Der Born Wirkungsquerschnitt des Prozesses wurde für alle Schwerpunktsenergien des Datensatzes zwischen 2.0 und 3.08 GeV bestimmt, wobei die erzielte Unsicherheit auf einem Niveau von wenigen Prozent liegt und von der systematischen Unsicherheit dominiert wird. Der effektive Formfaktor des Protons wurde aus diesem Wirkungsquerschnitt ermittelt, um einen Vergleich mit älteren Experimenten zu ermöglichen. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind dabei gut vereinbar mit vorigen Messungen dieser Größen, allerdings mit deutlich höherer Präzision. Zuvor beobachtete Oszillationen des effektiven Formfaktors konnten für einen Teil der Schwerpunktsenergien des Datensatzes (2.0 - 2.5 GeV) bestätigt werden. Mit der individuellen Bestimmung des magnetischen ($|G_M|$) und elektrischen ($|G_E|$) Formfaktors des Protons konnte das wichtigste Ziel, für welches der Datensatz von 2015 am BESIII Experiment erhoben wurde, erreicht werden. Die Formfaktoren wurden dabei mit Hilfe einer Winkelanalyse bei 16 Schwerpunktsenergien extrahiert, bei denen genügend Ereignisse des Signalprozesses erzeugt wurden. Die Präzision dieser Messung im Bereich zeitartiger Impulsüberträge erreicht dabei erstmals ein Niveau, welches mit dem von Ergebnissen im Bereich raumartiger Impulsüberträge vergleichbar ist. Die Messung von $|G_M|$ stimmt bei stark verbesserter Präzision mit Resultaten voriger Experimente überein, während $|G_E|$ zum ersten Mal separat bestimmt wurde. Das im Rahmen dieser Arbeit ermittelte Verhältnis der beiden Formfaktoren (R=$|G_E/G_M|$) kann dabei helfen, Unstimmigkeiten zwischen Ergebnissen aus dem PS170 (Proton-Antiproton Paarvernichtung) und BaBar Experiments (Elektron Positron Paarvernichtung) aufzuklären. Die im Zuge dieser Arbeit erzielten Resultate verbessern unser Verständnis der Struktur und inneren Dynamik des Protons im Rahmen der starken Wechselwirkung signifikant. Die erstmalige Messung von $|G_E|$ sowie die deutlich erhöhte Präzision in der Messung von R und $|G_M|$ im Bereich zeitartiger Impulsüberträge wird die Entwicklung neuer theoretischer Modelle, welche die Struktur des Protons beschreiben, vorantreiben und die Bestätigung (oder Widerlegung) sowie Verbesserung existierender Modelle erlauben.
The proton, despite being one of the most important building blocks of matter in the universe, is still poorly understood in terms of its quark and gluonic structure and internal dynamics. To achieve a deeper understanding of these fundamental properties of the proton is one of the most important and challenging goals of modern nuclear physics. In the scope of this work, one of the accessible quantities that parametrises the structure and internal dynamics of the proton, the electromagnetic form factors, are measured in the timelike region with unprecedented accuracy using data taken at the BESIII experiment primarily in 2015. Within this thesis, the process $e^+e^-\rightarrow p\bar{p}$ is investigated with the scan technique for the first time, using a dataset with a total integrated luminosity of 688.5 pb$^{-1}$. The Born cross section of the process is measured over the full energy range of this dataset between 2.0 and 3.08 GeV at 22 energy points, achieving a total uncertainty on the level of a few percent, dominated by the systematic uncertainty. The effective form factor of the proton is extracted from this measured cross section to allow for a comparison with older experiments. The measurement presented here is in good agreement with these previous results while achieving an improved precision. An oscillating behaviour observed in the effective form factor in previous experiments is confirmed for a part of the energy range (2.0 - 2.5 GeV) of the measurement of this work. The main purpose of the dedicated scan dataset taken in 2015 at BESIII, the separate extraction of the individual magnetic ($|G_M|$) and electric ($|G_E|$) timelike form factors of the proton, has been achieved through the performance of an angular analysis of the data at 16 center of mass energy points. The precision of this measurement reaches a level which is comparable to results obtained in the spacelike region for the first time. Results for $|G_M|$ are in agreement with the few existing previous measurements with vastly improved accuracy, while $|G_E|$ is measured separately for the first time. The extracted ratio R=$|G_E/G_M|$ of the two form factors helps to clear up a long-standing discrepancy of the previous results from the PS170 (proton-antiproton annihilation) and BaBar (electron positron annihilation) experiments, in favour of the latter. The results of this work significantly improve our understanding of the proton structure and dynamics within the picture of the strong interaction. The first time measurement of $|G_E|$ as well as the improved precision of existing measurements of the electromagnetic form factors in the timelike region will allow the development of new theoretical models as well as the verification (or falsification) and improvement of existing ones.
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
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-6322
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: CC-BY-SA
Information on rights of use: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
Extent: vi, 234 Seiten, Illustrationen, Diagramme
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