Overview on Nucleon Form Factors Marc Vanderhaeghen 7 th Workshop - PowerPoint PPT Presentation

Overview on Nucleon Form Factors Marc Vanderhaeghen 7 th Workshop on Hadron Physics in China and Opportunities Worldwide August 3 - 7, 2015 Duke Kunshan University, China

Part 1: Proton size !me ¡honored ¡tool: ¡ electroweak ¡probe ¡ how ¡accurate ¡do ¡we ¡ know ¡the ¡proton ¡size ¡? ¡ 2

Proton radius from Hydrogen spectroscopy μ H Lamb shift Pohl et al. (2010) Δ E LS $=$209.9779$(49)$.$5.2262$$R E 2 $+$0.00913$$R 3 $$ meV$ (2) O(α 5 ) ¡correc!on ¡ 0.026 ¡meV ¡ 3.70 ¡meV ¡ 3

Proton radius puzzle μH ¡data: ¡ R E ¡ = ¡0.8409 ¡± ¡0.0004 ¡fm ¡ Pohl et al.(2010) 7 ¡σ ¡difference ¡ !? ¡ Antognini et al.(2013) ep ¡data: ¡ R E ¡ = ¡0.8775 ¡± ¡0.0051 ¡fm ¡ CODATA(2012) 4

Proton radius puzzle: what could it mean ? Δ E LS $=$209.9779$(49)$.$5.2262$$R E 2 $+$0.00913$$R 3 $$ meV$ (2) different ¡ ¡ ¡ ¡ ¡radii ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ eH ¡theory ¡wrong ¡? ¡ ¡ μH ¡expt. ¡wrong ¡? ¡ ¡ ¡ ¡ Lamb ¡shiO ¡ difference ¡of ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ≈ ¡320 ¡μeV ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ μH ¡theory ¡wrong ¡? ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ eH ¡expt. ¡wrong ¡? ¡-­‑> ¡R ∞ ¡ wrong ¡ ¡ ¡+ ¡ep ¡scaZering ¡wrong ¡? ¡ ¡ -­‑ ¡QED ¡bound ¡state ¡correc!ons ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ -­‑ ¡radia!ve ¡correc!ons ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ -­‑ ¡hadronic ¡correc!ons ¡ ¡ ¡ ¡-­‑ ¡check ¡with ¡different ¡targets ¡ ¡ ¡ -­‑ ¡2γ ¡correc!ons ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ -­‑ ¡low ¡Q 2 ¡extrapola!on ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ standard ¡model ¡ wrong ¡? ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 5

Lamb shift: status of known corrections μH ¡Lamb ¡shi;: ¡summary ¡of ¡correc?ons 1-loop eVP proton size 2-loop eVP µ SE and µ VP discrepancy 1-loop eVP in 2 Coul. recoil 2-photon exchange hadronic VP proton SE 3-loop eVP largest ¡theore!cal ¡ light-by-light uncertainty -3 -2 -1 2 10 10 10 1 10 10 meV total ¡hadronic ¡correc?on ¡on ¡Lamb ¡shi; ¡ elas!c ¡contribu!on ¡on ¡2S ¡level: ¡ΔE 2S ¡= ¡-­‑23 ¡μeV ¡ ¡ ΔE (2P ¡-­‑ ¡2S) ¡ = ¡(33 ¡± ¡2) ¡μeV ¡ inelas!c ¡contribu!on: ¡ ¡ ¡ Carlson, Vdh (2011) + Birse, McGovern (2012) ...or ¡about ¡11% ¡of ¡needed ¡correc!on 6

Lamb shift: hadronic corrections (I) Lower)blob)contains)both)elas(c)(nucleon))and)in8elas(c)states Hadron(physics( input(required Informa(on)contained)in forward,(double(virtual(Compton(sca6ering 8)Described)by)two)amplitudes)T1)and)T2:)func(on)of)energy) ν )and)virtuality)Q 2 ) 8)Imaginary)parts)of)T1),)T2:)unpolarized)structure)func(ons)of)proton Δ E)evaluated)through)an)integral)over)Q 2 )and) ν )) Elas(c)state:))involves nucleon(form(factors Subtrac(on:)involves nucleon(polarizabili9es Inelas(c,)dispersion)integrals:)involves structure(func9ons(F1,(F2 7

Lamb shift: hadronic corrections (II) Theory ¡analyses: ¡ low-­‑energy ¡expansion ¡of ¡forward, ¡ ¡ ¡ BChPT ¡ doubly ¡virtual ¡Compton ¡scaZering ¡ ¡ Lensky, Pascalutsa(2010) contains ¡a ¡subtrac!on ¡term ¡T 1 (0,Q 2 ) ¡ ¡ HBChPT ¡ effec!ve ¡Hamiltonian: ¡ ¡ Griesshammer, McGovern, Phillips(2013) PDG ¡’14 ¡values: ¡ ¡ magne!c ¡ ¡ electric ¡ ¡ α E ¡ ¡ = ¡(11.2 ¡± ¡0.2) ¡× ¡10 -­‑4 ¡ ¡ fm 3 ¡ polarizabili!es ¡ ¡ β M ¡ ¡ = ¡( ¡2.5 ¡± ¡0.4) ¡× ¡10 -­‑4 ¡ ¡ fm 3 ¡ subtrac!on ¡term ¡T 1 (0,Q 2 ) ¡ ¡ weigh!ng ¡func!on ¡in ¡Lamb ¡shiO ¡ ¡ next ¡order ¡terms: ¡calculable ¡in ¡chiral ¡perturba!on ¡theory ¡ ¡ ¡ Nevado, Pineda(2008) ; Birse, McGovern(2012); Alarcon, Lensky, Pascalutsa(2014) 8

Lamb shift: hadronic corrections summary polarizability ¡correc!on ¡ dispersive ¡es!mates on ¡2S ¡level ¡in ¡μH ¡ ¡ HBChPT HBChPT ¡ BChPT + ¡dispersive ¡ ( µ eV) Pachucki [9] Martynenko [10] Nevado and Carlson and Birse and Gorchtein LO-B χ PT Pineda [11] Vanderhaeghen [12] McGovern [13] et al. [14] [this work] � E ( subt ) − 2.3 (4.6) a − 3 . 0 1.8 2.3 – 5.3 (1.9) 4.2 (1.0) 2 S � E ( inel ) − 12 . 7 (5) b − 13 . 9 − 13 . 8 − 12 . 7 (5) − 13 . 0 (6) − 5 . 2 – 2 S � E ( pol ) − 8 . 2 ( + 1 . 2 − 12 (2) − 11 . 5 − 18 . 5 − 7 . 4 (2.4) − 8 . 5 (1.1) − 15 . 3 (5.6) − 2 . 5 ) 2 S a Adjusted value; the original value of Ref. [14], + 3 . 3, is based on a different decomposition into the ‘elastic’ and ‘polarizability’ contributions b Taken from Ref. [12] [9] K. Pachucki, Phys. Rev. A 60 , 3593 (1999). [10] A. P. Martynenko, Phys. Atom. Nucl. 69 , 1309 (2006). [11] D. Nevado and A. Pineda, Phys. Rev. C 77 , 035202 (2008). [12] C. E. Carlson and M. Vanderhaeghen, Phys. Rev. A 84 , 020102 (2011). [13] M. C. Birse and J. A. McGovern, Eur. Phys. J. A 48 , 120 (2012). [14] M. Gorchtein, F. J. Llanes-Estrada and A. P. Szczepaniak, Phys. Rev. A 87, 052501 (2013). [LO-B χ PT] Alarcon, Lensky, Pascalutsa, EPJC (2014) 74:2852 ΔE (2P ¡-­‑ ¡2S) ¡ = ¡(33 ¡± ¡2) ¡μeV ¡ total ¡hadronic ¡correc?on ¡on ¡Lamb ¡shi; ¡ ...or ¡about ¡11% ¡of ¡needed ¡correc!on 9

Proton radius puzzle: new physics ? ¡ ¡ ¡invoking ¡exchange ¡of ¡ new ¡ muonic ¡forces ¡? ¡ ¡ hypothe!cal ¡light ¡boson ¡ lepton ¡universality-­‑viola!ng ¡models ¡ ¡ challenge : ¡new ¡physics ¡must ¡also ¡ simultaneously ¡explain ¡1 ¡ppm ¡ respect ¡(g-­‑2) μ ¡ discrepancy ¡ and ¡10 4 ¡ppm ¡discrepancies ¡!!! ¡ ¡ Tucker-Smith Yavin (2010) Barger,Chiang, Keung, Marfiata (2011) ¡ ¡parity-­‑viola!ng ¡muonic ¡forces ¡(V ¡and ¡A) ¡ ¡fine ¡tuning ¡between ¡V ¡and ¡A ¡coupling ¡to ¡muon V ¡and ¡A ¡coupling ¡ all ¡leptons ¡ to ¡muons ¡ Batell, McKeen, Pospelov (2011) Carlson, Rislow (2012) Karshenboim, McKeen, Pospelov (2014) strong ¡constraint ¡from ¡leptonic ¡W ¡decay ¡ ¡ embedding ¡in ¡a ¡renormalizable ¡theory ¡required ¡ ¡ Carlson, Freid (in progress) 10

Proton radius puzzle: what’s next ? μH ¡Lamb ¡shiO: ¡muonic ¡D, ¡muonic ¡ 3 He, ¡ ¡ 4 He ¡have ¡been ¡performed electronic ¡H ¡Lamb ¡shiO: ¡higher ¡accuracy ¡measurements ¡underway electron ¡scaZering ¡analysis: ¡ ¡ Lorenz et al. -­‑ ¡radius ¡extrac!on ¡fits ¡(use ¡fits ¡with ¡correct ¡analy!cal ¡behavior: ¡2π ¡cut) ¡ ¡ ¡ -­‑ ¡radia!ve ¡correc!ons, ¡two-­‑photon ¡exchange ¡correc!ons ¡ ¡ new ¡fit ¡ ¡R E ¡ = ¡0.904 ¡(15) ¡fm ¡ ¡(4σ ¡from ¡μH) ¡ ¡ Lee, Arrington, Hill (2015) electron ¡scaZering ¡experiments: ¡ ¡ new ¡G Ep ¡experiments ¡down ¡to ¡Q 2 ¡ ≈ ¡2 ¡x ¡10 -­‑4 ¡ ¡GeV 2 ¡ ¡ ¡ -­‑ ¡MAMI/A1: ¡Ini!al ¡State ¡Radia!on ¡(2013/4) ¡ ¡ ¡ -­‑ ¡JLab/Hall ¡B: ¡HyCal, ¡magne!c ¡spectrometer-­‑free ¡experiment, ¡norm ¡to ¡Møller ¡(2016/7) ¡ ¡ ¡ see ¡talk: ¡H. ¡Gao ¡ -­‑ ¡MESA: ¡low-­‑energy, ¡high ¡resolu!on ¡spectrometers ¡(2019) muon ¡scaZering ¡experiments: ¡ ¡ ¡ ¡MUSE@PSI ¡ ¡(2017/8) e -­‑ e + ¡versus ¡μ -­‑ μ + ¡photoproduc!on: ¡lepton ¡universality ¡test 11

ISR@MAMI experiment ISR 2013 ( E 0 = 495 MeV) - Extracting FFs from the radiative tail. " 10 − 1 Q 2 at Vertex [GeV 2 / c 2 ] - Radiative tail dominated by coherent " sum of two Bethe-Heitler diagrams. 2 2 Q Re construct 10 − 2 = + 2 Q Vertex Data (MAMI 2013) 10 6 Simulation H(e, e ′ )n π + and H(e, e ′ )p π 0 Contributions Counts/ 0.1 mC Background Contributions 10 5 G E ! 10 3 - In data ISR can not be distinguished " from FSR. Combining data with the ! p at Q 2 ~ 10 -4 (GeV/c) 2 ! simulation, G e 10 reached . " 5 Simulation − 1 " - Experiment performed in 2013. " 0 Data " - Preliminary results at high Q 2 demonstrate " -5 2% agreement in a region with known FFs. " -10 250 300 350 400 450 500 Electron energy E ′ [MeV] Mihovilovic et al.(2015) 12