用于测量重子共振态Δ(1232)空间尺寸的玻色-爱因斯坦关联方法研究

Limited to target preparing, traditional electron scattering cannot be applied to measuring the spatial extension of ultra-short lifetime excited nucleon. In this project, we propose a new event mixing method for Bose-Einstein correlations (BEC) observation at low energies with low multiplicity, in order to measure the spatial size of Delta resonance (Δ (1232)) of ultra-short lifetime. This project includes the following three main works: 1) to establish a theoretical frame to describe the relation between π^0π^0 BEC effects and the spatial size of Δ produced in γp→π^0Δ→π^0π^0p; 2) to investigate how energy-momentum conservation, Δ resonance and given kinematic constraints affect the event mixing process which plays a crucial role in BEC analysis, and to develop an effective event mixing method for two-boson BEC analysis in three-body system in the presence of Δ resonance; 3) to extract BEC parameters of experimental π^0π^0 data using the developed event mixing method, and to deduce the space size of Δ resonance and its dependence on the incident photon energy. This study will provide a novel approach to measure the space-time characteristics of excited nucleons. Any breakthroughs in this study will drastically improve our understanding of excited nucleons properties.

测量超短寿命核子共振态的空间尺度受限于难以制备相应的靶，无法采用传统的电子散射法。本项目基于玻色-爱因斯坦关联（BEC）方法，探索一种适合低能区三体系统BEC观测的有效事件混合方法，创建一种新的用于测量Δ（1232）共振态空间尺寸的BEC测量技术。具体研究包括：（1）建立1 GeV能区光生反应γp→π^0Δ→π^0π^0p末态π^0π^0关联用于测量Δ共振态空间尺寸的物理模型；（2）研究能量动量守恒关系、Δ共振态及相关限制条件对三体系统事件混合的影响机制和规律，并探索适用于低能区Δ共振态存在时三体系统两玻色子BEC分析的有效事件混合方法；（3）测量实验数据π^0π^0 的BEC效应，最终获得Δ共振态空间尺寸，并研究空间尺寸与入射光子能量的依赖关系。研究成果对于理解核子共振态内部结构性质具有重要意义和科学价值，并拓展了BEC在低能区的应用，提供了一种测量超短寿命核子共振态空间尺寸的新途径。

夸克核物理目前面临的主要挑战之一是理解QCD非微扰能区强相互作用机制，实验测量强子性质则是理解非微扰能区强子结构的有力工具之一，本项目从强子的空间尺寸作为切入点开展研究，主要通过光生反应末态粒子ππ玻色-爱因斯坦关联测量重子共振态Δ(1232)的半径，此研究基于这样一个事实，在第一和第二共振区对光生反应γp→π^0π^0p最主要的贡献过程是级联反应γp→Δπ^0→π^0π^0p，末态两个π介子的强度关联携带了中间态的时间空间性质。.具体开展的研究包括：1）在Δ质心系观测ππ关联，克服级联反应中两个π介子生成时间不一致的问题，实现直接测量关联效应获得Δ尺寸信息；2）发展关联函数测量中参考样本制作的事件混合方法，在丢失质量一致性、能量上限、能量排序对应限制条件基础上，进一步提出了将能量排序条件的应用范围进行限制，同时加入了针对两个粒子总能量的限制条件、能量总和窗口限制条件，通过数值模拟研究其拟合精度和效率；3）4π探测器FOREST实验中ππ关联的实验测量方法研究，分析了探测器空间分辨及偶然符合事件对事件混合折影响；4）测量了1 GeV能区FOREST实验中性ππ光生反应中ππ关联效应，考虑了不同共振态的影响，分析ππ出射区域的空间尺寸及其与能量的依赖关系。.基于以上研究，本项目取得以下成果：1）建立了ππ关联测量Δ共振态空间尺寸的物理模型；2）提出一种适用于QCD非微扰能区低末态粒子数（3个）反应的事件混合方法，在拟合精度和系统误差方面进一步提升；3）完成了π^0π^0关联实验测量方案，提出了事件混合中光子探测单元团簇反重叠方法，消除了因FOREST探测器对光子探测时的电磁级联簇射导致的位置分辨对事件混合的影响，测量了ππ光生反应的总截面和微分截面，实验数据支持中性ππ光生反应最主要的贡献过程是Δ级联反应；4）获得了ππ关联实验结果，得到Δ空间尺寸与入射光子能量的依赖关系。.该研究成果进一步促进了我们对于强子结构的理解，并拓展了BEC关联在低能区的应用，提供了一种测量超短寿命核子共振态空间尺寸的新途径。

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