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北京谱仪III实验完成粒子物理学重要物理量R值高精度测量

2022-02-16 01:48     来源:中科院高能所     粒子物理学 北京谱仪 核技术

北京谱仪BESIII合作组利用连续能区2.23-3.67GeV正负电子对撞数据,以优于3%的精度测量了R值。这一研究成果2月10日在线发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

图:不同实验在2.2 - 3.7 GeV能区的R值

R值是正负电子湮没产生强子与一对正负缪子的领头阶截面的比值,是粒子物理学中最重要的物理量之一。精确的R值数据对缪子反常磁矩的理论计算具有重要意义。最新的缪子反常磁矩的实验测量值和理论计算值的差别达到约4.2倍标准偏差,暗示着新物理的存在,因而成为当前粒子物理的热点话题。美国费米实验室计划进一步提高实验测量精度,对理论计算提出了挑战。而理论计算值的最主要误差来自于领头阶强子真空极化项的贡献,其计算采用色散积分方法需要R值作为输入参数。由于微扰量子色动力学在低能区(< 5 GeV)的不适用性,实验测量是获取高精度R值的唯一途径。因此,BESIII的R值测量对缪子反常磁矩理论预言具有重要意义。此外,高精度的R值对跑动电动力学耦合常数的理论计算亦是不可缺少的输入参数,是精确检验标准模型的另一个重要途径。

BESIII实验团队先后解决了实验数据积分亮度的精确测量、强子事例的高效筛选、残余QED本底事例和束流相关本底事例的估计、正负电子初态辐射修正的模拟和精确计算以及单举强子事例的模拟和相应探测效率的估计等一系列关键问题。为可靠地估计R值的主要系统误差,BESIII实验团队在充分完善现有单举强子事例模拟模型的基础上,创造性地提出并实现了充分利用已知遍举过程的强子事例混合产生器。经过多轮迭代和完善,这两种强子模型均能重现正负电子湮没产生强子的复杂物理过程,且与实验数据符合得很好。由于这些艰苦细致的工作,R值测量的精度最终在3.1 GeV以下好于2.6%、在3.1 GeV以上好于3.0%。

R值测量是BESIII实验最重要的研究工作之一。上一代北京谱仪BESII完成R值测量,把当时的精度提高了一倍左右;此次BESIII的R值测量,再次把精度提高了一倍左右,为粒子物理提供了精确的基础数据。

该研究工作得到了科技部、自然科学基金委、中科院、教育部等部门的支持。
 

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