Электрические и магнитные свойства нейтрона измерили по отдельности

Физики из коллаборации BESIII сообщили об измерении электрического и магнитного форм-факторов нейтрона по отдельности. Для этого они считали, сколько нейтрон-антинейтронных пар родится в столкновениях электронов и позитронов на коллайдере BEPCII. Результат позволил ответить на вопрос о том, какая из теоретических моделей лучше работает в выбранном диапазоне энергий. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. 

Нейтрон электрически нейтрален, но это не значит, что он не участвует в электромагнитном взаимодействии — составляющие его кварки заряд все же несут. А вот как электрические заряды и токи распределены внутри нейтрона, — пока точно неизвестно. Извлечение этих величин, выраженных через соответствующие электромагнитные форм-факторы (электрический и магнитный), осложняется тем, что не бывает нейтронных мишеней, на которые можно было бы направить пучок из ускорителя.

Вместо этого физики добывают знания об электромагнитных форм-факторах, считая нейтрон-антинейтронные пары, рожденные в ходе столкновений электронов и позитронов. Этим занимается несколько научных групп мира, в том числе российские физики из коллаборации СНД и их китайские коллеги из коллаборации BESIII. Недавно мы рассказывали, как ученые из BESIII нашли осцилляции в эффективном электромагнитном форм-факторе. Несмотря на это, точности экспериментов не хватало, чтобы отделить электрический форм-фактор от магнитного в измеренных данных.

Теперь же китайские физики смогли преодолеть и эту сложность. Они накопили данные о столкновениях частиц в электрон-позитронном коллайдере BEPCII, соответствующие интегральной светимости 354,6 обратного пикобарна, а затем измерили по ним дифференциальное сечение рождения нейтрон-антинейтронных пар в пяти точках диапазона энергий от 2 до 2,95 гигаэлектронвольта в системе центра масс. Такой процесс относят к времениподобным (timelike, TL) из-за того, что квадрат переданного в его ходе 4-импульса всего положителен. В отличие от него упругое рассеяние электронов на нейтронах может обладать отрицательным квадратом 4-импульса, то есть быть пространственноподобным (spacelike, SL). Оба сценария соответствуют разным диапазонам, на которых определены форм-факторы.

Формула, связывающая сечение с направлением и скоростью нейтронов и антинейтронов, содержала в себе оба форм-фактора в качестве свободных параметров — их авторы извлекли с помощью подгонки. Свой результат физики сравнили с SL-форм-факторами, полученными другими группами, а также с различными методами вычисления. Результат ученых из BESIII лучше всего согласуется с вычислениями с помощью дисперсионных соотношений.

Нейтроны — не единственные адроны, рождающиеся при столкновении электронов и позитронов. Куда чаще физики фиксируют пионы. Измерение пионного форм-фактора играет важную роль в вычислении аномального магнитного момента мюона. Недавно физики из Новосибирска представили свои результаты по измерению пионного форм-фактора — он оказался больше, чем у других групп. Новое значение существенно меняет расчеты для мюонного магнитного момента, нивелируя расходимость теории и эксперимента.