2020 Fiscal Year Final Research Report

Precise determination of the proton charge radius by electron scattering off proton at ultra-low momentum transfer

Research Project

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Project/Area Number	16H06340
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
Allocation Type	Single-year Grants
Research Field	Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	Suda Toshimi 東北大学, 電子光理学研究センター, 教授 (30202138)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	塚田暁東北大学, 電子光理学研究センター, 助教 (10422073) 前田幸重宮崎大学, 工学部, 准教授 (50452743) 菊永英寿東北大学, 電子光理学研究センター, 准教授 (00435645)
Project Period (FY)	2016-05-31 – 2021-03-31
Keywords	陽子電荷半径 / 電子散乱 / 電荷形状因子 / 陽子半径パズル / Rosenbluth 分離法 / 電磁石スペクトロメータ
Outline of Final Research Achievements	To determine the proton charge radius in the least-ever model-dependent way, a new beam line and an electron spectrometer have been constructed in the Research Center of Electron-Photon Science, Tohoku University. Employing the 60-MeV electron linac of the laboratory, this system enables the measurement of elastic electron scattering off proton at the lowest-ever electron beam energy. Covering the beam energy of Ee = 20 - 60 MeV and a wide scattering angle coverage of 30 - 150 deg., the charge form factor at a very low momentum transfer region is experimentally extracted by the Rosenbluth technique. This is essential to determine the least model-dependent proton charge radius from electron scattering. The system has been shown to have required performance for the measurements including the momentum resolution, and the measurements of elastic electron scattering off proton has started.
Free Research Field	実験原子核物理学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	水素の原子核である陽子の大きさ（電荷半径）の不定性が問題となっており（「陽子半径パズル」）、正確な陽子半径決定のため世界中で熾烈な研究競争が展開されている。陽子半径の不定性は、原子核物理学だけの問題にとどまらず、基礎物理定数である Rydberg 定数の不定性に直結する。また「陽子半径パズル」は素粒子物理学の標準理論との関連もあり、現代物理学の重要な問題の一つとなっている。本研究の目標は、史上最低ビームエネルギーでの電子・陽子弾性散乱で最も信頼度の高い陽子半径を決定することである。本研究はそのわかりやすさから、新聞や科学雑誌の記事となりまた一般講演会や高校の授業等で数多く取り上げられている。