纯氢气中质子射程-能量关系的精密测量方法

关于质子在氢气中阻止的射程-能量关系的现有实验信息汇总于 SRIM 软件包中。该数据的估计精度为百分之几。本文描述了在美因茨微tron (MAMI) 的 720 MeV 电子束上进行的电子-质子弹性散射实验中以 0.1$\%$ 精度测量该关系的可能性。该实验旨在精密测量质子电荷半径，利用大型氢“主动靶”探测反冲质子，并利用前向径迹探测器探测散射电子。散射电子的角度以 $2\cdot10^{-4}$ 的绝对精度测量。此外，MAMI 的电子束动量绝对精度为 $2\cdot10^{-4}$。这使得以 0.1$\%$ 绝对精度确定四动量转移 $Q^2$ 成为可能，而 $Q^2$ 反过来是反冲质子能量 $T_{p}$ 的直接度量：$Q^2 = 2M_{p}T_{p}$，其中 M$_{p}$ 为质子质量。从这个角度看，该实验装置可视为一个在“主动靶”内产生能量明确质子的源，该靶是一种专门设计的高压氢气时间投影室 (TPC)。TPC 的设计允许高精度测量对应于某些选定质子射程值的质子能量。由此，可以以 0.1$\%$ 绝对精度建立质子能量从 1 MeV 到 9.3 MeV 的射程-能量关系，最大能量受 TPC 尺寸和氢气压力的限制。