通过弹性电子-质子散射测量质子的弱电荷

在弗吉尼亚州纽波特纽斯（Newport News, VA）的 Jefferson Lab 运行的 Qweak 实验，通过弹性电子-质子散射测量了质子的弱电荷 $Q_W^p$。纵向极化的电子从未极化的液氢靶上散射。标准模型预言由于弱相互作用，电子右旋与左旋螺旋态之间的散射速率存在微小的宇称破坏不对称性。2013年10月发表了基于4%数据的初始结果，测得的宇称破坏不对称性为 $-279\pm 35(\text{stat})\pm 31$ (syst) 十亿分之一 (ppb)。该不对称性连同其他来自宇称破坏电子散射实验的数据，提供了世界上首次对质子弱电荷的测定。发现质子的弱电荷为 $Q_W^p=0.064\pm0.012$，与标准模型预言 $Q_W^p(SM)=0.0708\pm0.0003$ 一致。完整数据集的结果有望将初始发表中的统计误差减小4-5倍。最终结果的高精度使其成为检验标准模型预言特别是 $\sin^2\theta_W$ 从 Z 质量到低能的“跑动”的有用测试。本论文聚焦于降低 Qweak 实验中两个关键系统误差。首先，讨论了在几 ppb 水平上测量并消除由螺旋度相关电子束属性引起的虚假不对称性的技术。其次，作为一个宇称破坏实验，Qweak 依赖对电子束极化的精确了解。为满足精确极化测量的要求，专门构建了用于 Qweak 的康普顿极化计。康普顿极化测量需要精确知道封闭在电子束管内的法布里-珀罗腔中的激光偏振。为 Qweak 开发了一项几乎消除该系统性误差的新技术。