Authors:	Bernauer, Jan C.
Title:	Measurement of the elastic electron-proton cross section and separation of the electric and magnetic form factor in the Q 2 range from 0.004 to 1 (GeV/c) 2
Online publication date:	10-Nov-2010
Year of first publication:	2010
Language:	english
Abstract:	The electromagnetic form factors of the proton are fundamental quantities sensitive to the distribution of charge and magnetization inside the proton. Precise knowledge of the form factors, in particular of the charge and magnetization radii provide strong tests for theory in the non-perturbative regime of QCD. However, the existing data at Q^2 below 1 (GeV/c)^2 are not precise enough for a hard test of theoretical predictions.rnrnFor a more precise determination of the form factors, within this work more than 1400 cross sections of the reaction H(e,e′)p were measured at the Mainz Microtron MAMI using the 3-spectrometer-facility of the A1-collaboration. The data were taken in three periods in the years 2006 and 2007 using beam energies of 180, 315, 450, 585, 720 and 855 MeV. They cover the Q^2 region from 0.004 to 1 (GeV/c)^2 with counting rate uncertainties below 0.2% for most of the data points. The relative luminosity of the measurements was determined using one of the spectrometers as a luminosity monitor. The overlapping acceptances of the measurements maximize the internal redundancy of the data and allow, together with several additions to the standard experimental setup, for tight control of systematic uncertainties.rnTo account for the radiative processes, an event generator was developed and implemented in the simulation package of the analysis software which works without peaking approximation by explicitly calculating the Bethe-Heitler and Born Feynman diagrams for each event.rnTo separate the form factors and to determine the radii, the data were analyzed by fitting a wide selection of form factor models directly to the measured cross sections. These fits also determined the absolute normalization of the different data subsets. The validity of this method was tested with extensive simulations. The results were compared to an extraction via the standard Rosenbluth technique.rnrnThe dip structure in G_E that was seen in the analysis of the previous world data shows up in a modified form. When compared to the standard-dipole form factor as a smooth curve, the extracted G_E exhibits a strong change of the slope around 0.1 (GeV/c)^2, and in the magnetic form factor a dip around 0.2 (GeV/c)^2 is found. This may be taken as indications for a pion cloud. For higher Q^2, the fits yield larger values for G_M than previous measurements, in agreement with form factor ratios from recent precise polarized measurements in the Q2 region up to 0.6 (GeV/c)^2.rnrnThe charge and magnetic rms radii are determined as rn⟨r_e⟩=0.879 ± 0.005(stat.) ± 0.004(syst.) ± 0.002(model) ± 0.004(group) fm,rn⟨r_m⟩=0.777 ± 0.013(stat.) ± 0.009(syst.) ± 0.005(model) ± 0.002(group) fm.rnThis charge radius is significantly larger than theoretical predictions and than the radius of the standard dipole. However, it is in agreement with earlier results measured at the Mainz linear accelerator and with determinations from Hydrogen Lamb shift measurements. The extracted magnetic radius is smaller than previous determinations and than the standard-dipole value. Die elektromagnetischen Formfaktoren des Protons sind fundamentale Messgrößen, sensitiv auf die Verteilung der Ladung und der Magnetisierung innerhalb des Protons. Die genaue Kenntnis der Formfaktoren, d.h. insbesondere auch des Ladungs- und des magnetischen Radius, sind wichtige Tests für die Theorie im nicht-perturbativen Gebiet der QCD. Die existierenden Daten sind jedoch nicht genau genug für einen belastbaren Test von Theorie-Vorhersagen.rnrnUm die Formfaktoren genauer zu bestimmen, wurden im Rahmen dieser Arbeit mehr als 1400 Wirkungsquerschnitte der Reaktion H(e,e′)p am Mainzer Microtron MAMI mit der 3-Spektrometer-Anlage der A1-Kollaboration gemessen. Die Daten wurden in drei Messperioden in den Jahren 2006 und 2007 bei den Strahlenergien 180, 315, 450, 585, 720 und 855 MeV aufgenommen. Sie bedecken den Q^2-Bereich zwischen 0.004 und 1 (GeV/c)^2 mit Zählstatistik-Unsicherheiten unter 0.2% für die Mehrzahl der Datenpunkte. Die relative Luminosität wurde mit einem der Spektrometer als Luminositätsmonitor bestimmt. Der Überlapp der Akzeptanzen der Messungen maximiert die interne Redundanz der Daten und erlaubt zusammen mit einer Reihe von Zusätzen zu dem Standard-Messaufbau eine genaue Kontrolle der systematischen Fehler.rnUm die Strahlungsprozesse zu berücksichtigen, wurde ein Ereignisgenerator entwickelt und im Rahmen des Simulationspakets der Analysesoftware implementiert, der ohne Peaking-Näherung die Bethe-Heitler und Born Feynman-Diagramme ereignisweise berechnet.rnUm die Formfaktoren zu separieren und um die Radien zu bestimmen, wurden die Daten mit Anpassungen einer breiten Auswahl an Formfaktor-Modellen analysiert. Diese Anpassungen dienten auch zur Bestimmung der absoluten Normierung der verschiedenen Daten-Untergruppen. Die Anwendbarkeit dieser Methode wurde mit ausgiebigen Simulationen getestet. Die Ergebnisse wurden mit einer Extraktion über die Standard-Rosenbluth-Separations-Methode verglichen.rnrnDie in Analysen früherer Daten identifizierte Dellen-Struktur in G_E zeigt sich in diesem neuen Datensatz in anderer Form. Verglichen mit dem Standard-Dipol-Formfaktor zeigt das extrahierte G_E ein starke Änderung der Steigung bei 0.1 (GeV/c)^2, und in G_M zeigt sich eine Delle bei 0.2 (GeV/c)^2. Dies kann als Anzeichen für eine Pionen-Wolke gesehen werden. Die Daten ergeben im höheren Q^2-Bereich größere Werte für G_M als frühere Messungen, in Übereinstimmung mit Formfaktor-Verhältnissen aus jüngeren präzisen polarisierten Messungen im Q^2-Bereich bis 0.6 (GeV/c)^2.rnrnDer Ladungs- und der magnetische Radius ergeben sich zu rn⟨r_e⟩=0.879 ± 0.005(stat.) ± 0.004(syst.) ± 0.002(model) ± 0.004(group) fm, rn⟨r_m⟩=0.777 ± 0.013(stat.) ± 0.009(syst.) ± 0.005(model) ± 0.002(group) fm.rnDer Ladungsradius, der im Rahmen dieser Arbeit ermittelt wurde, ist deutlich gr ößer als theoretische Vorhersagen und als der Radius des Standard-Dipols, ist aber in Übereinstimmung mit Ergebnissen früherer Messungen am Mainzer Line- arbeschleuniger und mit H-Lamb-Shift-Messungen. Der extrahierte magnetische Radius ist kleiner als frühere Bestimmungen und als der des Standard-Dipols.
DDC:	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-996
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-24421
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	219 S.
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