Measurement of the Timelike Electromagnetic Form Factors of the Proton at the BESIII Experiment through the Process e +e − → pp¯
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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.