中国科大在质子形状因子研究中取得重要进展

        中国科学技术大学博士后研究员夏磊、特任副研究员周小蓉与校友王雅迪博士等组成的研究团队，用能量扫描的方法精确测量了过程的玻恩截面和质子的电磁形状因子，得到了精度最高的实验结果。该研究属于北京谱仪BESIII QCD物理课题，科大鄢文标副教授担任t-QCD物理组召集人之一，科大团队在相关研究中发挥主导作用。这些结果为研究重子的产生机制和内部结构提供了高精度的实验数据，引起相关领域理论家的关注。研究成果发表在Phys. Rev. Lett. 124, 042001 (2020)(链接)。

        质子与中子统称核子，是组成物质的基本单元。根据夸克模型，重子由三个夸克构成，质子和中子是最轻的两种重子，其夸克组成分别为uud和udd。1961年，N. Cabibbo提出正负电子对湮没到自旋为1/2重子对的玻恩截面可以用该重子的电磁形状因子参数化描述。核子的电磁形状因子(和)是对核子的最基本的可观测量之一，与其内部结构和动力学密切相关。核子形状因子可以通过类空和类时两种过程来测量，由于类时过程的核子形状因子是一个复数，因此更能为QCD 的理论模型提供重要参考。BESIII正是利用类时过程测量核子形状因子，科大黄光顺教授和高能所胡海明研究员于2011年前后开始讨论规划该系列研究，并在随后几年组织实施了取数实验，至今已取得多项研究成果。质子的电磁形状因子需要大统计量事例精确测量，尤其是电形状因子，历史上从来没有被直接测量过。以前的研究限于统计量只能假设，即有效形状因子，但这个假设只在阈值附近成立。近年来，质子半径之类的未解决的问题引起了广泛关注，而精确测量类时区域的形状因子也可能有助于提高对质子半径的理论估计。从阈值能量到3.08 GeV，过程的振幅是由领头阶和一个相对较小的微扰相关的再散射过程相加，这些效应的叠加会导致有趣的现象，特别是有效形状因子的微小振荡对平滑形状的叠加，因此在这个能量区域需要用能量扫描的方法进行测量。对于带电的质子对，引入Sommerfeld因子以描述末态重子对的库伦相互作用，通过在Sommerfeld因子中引入强相互作用耦合，可以分别解释实验上观测到重子对产生截面的性质。该研究的合作者之一、意大利INFN研究所的物理学家Rinaldo Baldini Ferroli根据质子有效形状因子渐近行为的微扰 QCD 理论，提出的截面引入了对于强相互作用的胶子交换的考虑，成功地解释了截面的性质。

        我校博士后研究员夏磊和特任副研究员周小蓉在导师黄光顺教授的指导下完成了研究工作，是该工作的主要贡献者。合作者王雅迪博士目前供职于德国亥姆霍兹研究所，其博士毕业于中国科学技术大学。其他合作者包括德国亥姆霍兹研究所Frank Maas教授、Christoph Rosner博士、Cristina Morales博士。与本工作相关的中子形状因子的测量和的高阶贡献等相关工作已经展开，未来将有更丰富的实验结果来解释核子的形状因子。这些研究受到国家自然科学基金委员会、科技部和中国科学院等部门的资助。