Hochpräzisionsmessung des Pion-Formfaktors bei BESIII - eine Verbesserung der hadronischen Vakuumpolarisations-Korrektur zu (g-2) des Myons

• Antragsteller: Professor Dr. Achim Denig
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 455635585

Das Ziel des vorliegenden Projektes ist eine Messung des Wirkungsquerschnitts sigma(e+e- ->pi+pi-), d.h. des zeitartigen Pion-Formfaktors. Die Messung wird über einen sehr weiten Energiebereich von der Zwei-Pionen-Schwelle bis oberhalb von 3 GeV durchgeführt werden. Hierfür soll die Methode der Initial State Radiation (ISR) an dem BESIII-Experiment in Peking zum Einsatz kommen. Wir streben die weltweit beste Präzision im vollen Energiebereich an. Es werden zwei Analysemethoden zum Einsatz kommen, die sich in dem zugänglichen Energiebereich und den systematischen Unsicherheiten unterscheiden werden. Die erste Analyse wird ISR-Photonen, die unter großen Winkel emittiert wurden (LA), selektieren, wohingehend die zweite Analyse ISR-Photonen unter kleinen Winkeln (SA) untersucht. Auf technologischer Seite sollen hochpräzise Analysemethoden entwickelt und kalibriert werden, die auf Algorithmen des Machine Learnings basieren werden. Somit wird eine effiziente Trennung von Pion- und Myon-Spuren an dem BESIII-Detektor möglich sein.1) Die LA-Analyse wird den Pion-Formfaktor im Bereich unterhalb von 1 GeV messen, der vollkommen von der rho-Resonanz dominiert wird. Wir streben im Vergleich zu einer existierenden BESIII-Messung im Bereich des Peaks der rho-Resonanz eine deutliche Reduktion des systematischen Fehlers an. Die totale Unsicherheit wird bei 0.6% (oder niedriger) liegen. Zwei unabhängige Normierungsmethoden erlauben eine gegenseitige Überprüfung der Ergebnisse.2) Die SA-Analyse wird den Pion-Formfaktor oberhalb von 0.8 GeV messen. Es wird eine bisher unerreichte Präzision angestrebt mit wichtigen Konsequenzen für die Kenntnis des Hadronspektrums oberhalb von 1 GeV.Das im Antrag beschriebene Projekt wird zu einer verbesserten Kenntnis des Beitrags der hadronischen Vakuumpolarisation (HVP) zur Myon-Anomalie (g-2 des Myons) führen. Es wird darüberhinaus möglich sein, eine beobachtete Diskrepanz zwischen den beiden bisher genauesten Experimenten KLOE und BABAR zu überprüfen. Dies wird einen direkten Einfluss auf die Standardmodell-Vorhersage von g-2 haben, da die Diskrepanz zwischen KLOE und BABAR augenblicklich die Standardmodell-Vorhersage beschränkt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen