Feasibility studies for the measurement of time-like proton electromagnetic form factors from $\bar{p}p \rightarrow \mu ^+\mu ^-$ at $\overline{\text {P}}\text {ANDA}$ at FAIR

G. Barucca , F. Davì , G. Lancioni , P. Mengucci , L. Montalto , P.P. Natali , N. Paone , D. Rinaldi , L. Scalise , W. Erni , B. Krusche , M. Steinacher , N. Walford , N. Cao , C. Liu , B. Liu , X. Shen , S. Sun , J. Tao , X.A. Xiong , Gang Zhao , J. Zhao , M. Albrecht , W. Alkakhi , S. Bökelmann , F. Feldbauer , M. Fink , J. Frech , V. Freudenreich , M. Fritsch , R. Hagdorn , F.H. Heinsius , T. Held , T. Holtmann , I. Keshk , H. Koch , B. Kopf , M. Kuhlmann , M. Kümmel , M. Küssner , A. Mustafa , M. Pelizäus , A. Pitka , J. Reher , G. Reicherz , M. Richter , C. Schnier , L. Sohl , M. Steinke , T. Triffterer , C. Wenzel , U. Wiedner , H. Denizli , N. Er , U. Keskin , A.T. Olgun , S. Yerlikaya , A. Yilmaz , R. Beck , C. Hammann , J. Hartmann , B. Ketzer , J. Müllers , M. Rossbach , B. Salisbury , U. Thoma , M. Urban , A. Bianconi , M. Bragadireanu , D. Pantea , M. Domagala , G. Filo , E. Lisowski , F. Lisowski , M. Michałek , P. Poznański , J. Płażek , K. Korcyl , A. Kozela , P. Lebiedowicz , K. Pysz , W. Schäfer , A. Szczurek , T. Fiutowski , M. Idzik , K. Swientek , P. Terlecki , G. Korcyl , R. Lalik , A. Malige , P. Moskal , K. Nowakowski , W. Przygoda , N. Rathod , Z. Rudy , P. Salabura , J. Smyrski , I. Augustin , R. Böhm , I. Lehmann , L. Schmitt , V. Varentsov , M. Al-Turany , A. Belias , H. Deppe , R. Dzhygadlo , H. Flemming , A. Gerhardt , K. Götzen , A. Heinz , P. Jiang , R. Karabowicz , S. Koch , U. Kurilla , D. Lehmann , J. Lühning , U. Lynen , H. Orth , K. Peters , J. Rieger , T. Saito , G. Schepers , C.J. Schmidt , C. Schwarz , J. Schwiening , A. Täschner , M. Traxler , B. Voss , P. Wieczorek , V. Abazov , G. Alexeev , V.A. Arefiev , V. Astakhov , M.Yu. Barabanov , B.V. Batyunya , V.Kh. Dodokhov , A. Efremov , A. Fechtchenko , A. Galoyan , G. Golovanov , E.K. Koshurnikov , Y.Yu. Lobanov , A.G. Olshevskiy , A.A. Piskun , A. Samartsev , S. Shimanski , N.B. Skachkov , A.N. Skachkova , E.A. Strokovsky , V. Tokmenin , V. Uzhinsky , A. Verkheev , A. Vodopianov , N.I. Zhuravlev , D. Branford , D. Watts , M. Böhm , W. Eyrich , A. Lehmann , D. Miehling , M. Pfaffinger , N. Quin , L. Robison , K. Seth , T. Xiao , D. Bettoni , A. Ali , A. Hamdi , M. Himmelreich , M. Krebs , S. Nakhoul , F. Nerling , A. Belousov , I. Kisel , G. Kozlov , M. Pugach , M. Zyzak , N. Bianchi , P. Gianotti , V. Lucherini , G. Bracco , Y. Bettner , S. Bodenschatz , K.T. Brinkmann , L. Brück , S. Diehl , V. Dormenev , M. Düren , T. Erlen , K. Föhl , C. Hahn , A. Hayrapetyan , J. Hofmann , S. Kegel , M. Kesselkaul , I. Köseoglu , A. Kripko , W. Kühn , J.S. Lange , V. Metag , M. Moritz , M. Nanova , R. Novotny , P. Orsich , J. Pereira-De-Lira , M. Peter , M. Sachs , M. Schmidt , R. Schubert , H. Stenzel , M. Straube , M. Strickert , U. Thöring , T. Wasem , B. Wohlfahrt , H.G. Zaunick , E. Tomasi-Gustafsson (1) , D. Glazier , D. Ireland , B. Seitz , P.N. Deepak , A. Kulkarni , R. Kappert , M. Kavatsyuk , H. Loehner , J. Messchendorp , V. Rodin , P. Schakel , S. Vejdani , K. Dutta , K. Kalita , G. Huang , D. Liu , H. Peng , H. Qi , Y. Sun , X. Zhou , M. Kunze , K. Azizi , L. Bianchi , A. Derichs , R. Dosdall , A. Erven , W. Esmail , A. Gillitzer , F. Goldenbaum , D. Grunwald , L. Jokhovets , J. Kannika , P. Kulessa , A. Lai , S. Orfanitski , G. Pérez Andrade , D. Prasuhn , E. Prencipe , J. Pütz , J. Ritman , E. Rosenthal , S. Schadmand , R. Schmitz , A. Scholl , T. Sefzick , V. Serdyuk , G. Sterzenbach , T. Stockmanns , D. Veretennikov , P. Wintz , P. Wüstner , H. Xu , Y. Zhou , X. Cao , Q. Hu , Z. Li , H. Li , Y. Liang , X. Ma , V. Rigato , L. Isaksson , P. Achenbach , A. Aycock , O. Corell , A. Denig , M. Distler , M. Hoek , W. Lauth , H.H. Leithoff , Z. Liu , H. Merkel , U. Müller , J. Pochodzalla , S. Schlimme , C. Sfienti , M. Thiel , M. Zambrana , S. Ahmed , S. Bleser , M. Bölting , L. Capozza , A. Dbeyssi , A. Ehret , P. Grasemann , R. Klasen , R. Kliemt , F. Maas , S. Maldaner , C. Morales Morales , C. Motzko , O. Noll , S. Pflüger , D. Rodríguez Piñeiro , F. Schupp , M. Steinen , S. Wolff , I. Zimmermann , A. Fedorov , D. Kazlou , M. Korzhik , O. Missevitch , P. Balanutsa , V. Chernetsky , A. Demekhin , A. Dolgolenko , P. Fedorets , A. Gerasimov , A. Golubev , V. Goryachev , A. Kantsyrev , D.Y. Kirin , A. Kotov , N. Kristi , E. Ladygina , E. Luschevskaya , V.A. Matveev , V. Panjushkin , A.V. Stavinskiy , A. Balashoff , A. Boukharov , O. Malyshev , K.N. Basant , H. Kumawat , B. Roy , A. Saxena , S. Yogesh , D. Bonaventura , P. Brand , C. Fritzsch , S. Grieser , C. Hargens , A.K. Hergemöller , B. Hetz , N. Hüsken , J. Kellers , A. Khoukaz , D. Bumrungkoh , C. Herold , K. Khosonthongkee , C. Kobdaj , A. Limphirat , K. Manasatitpong , T. Nasawad , S. Pongampai , T. Simantathammakul , P. Srisawad , N. Wongprachanukul , Y. Yan , C. Yu , X. Zhang , W. Zhu , A.E. Blinov , S. Kononov , E.A. Kravchenko , E. Antokhin , A.Yu. Barnyakov , K. Beloborodov , V.E. Blinov , I.A. Kuyanov , S. Pivovarov , E. Pyata , Y. Tikhonov , R. Kunne (2) , B. Ramstein (2) , G. Hunter , M. Lattery , H. Pace , G. Boca , D. Duda , M. Finger , Jr. M.Finger , A. Kveton , M. Pesek , M. Peskova , I. Prochazka , M. Slunecka , M. Volf , P. Gallus , V. Jary , O. Korchak , M. Marcisovsky , G. Neue , J. Novy , L. Tomasek , M. Tomasek , M. Virius , V. Vrba , V. Abramov , S. Bukreeva , S. Chernichenko , A. Derevschikov , V. Ferapontov , Y. Goncharenko , A. Levin , E. Maslova , Y. Melnik , A. Meschanin , N. Minaev , V. Mochalov , V. Moiseev , D. Morozov , L. Nogach , S. Poslavskiy , A. Ryazantsev , S. Ryzhikov , P. Semenov , I. Shein , A. Uzunian , A. Vasiliev , A. Yakutin , U. Roy , B. Yabsley , S. Belostotski , G. Fedotov , G. Gavrilov , A. Izotov , S. Manaenkov , O. Miklukho , A. Zhdanov , A. Atac , T. Bäck , B. Cederwall , K. Makonyi , M. Preston , P.E. Tegner , D. Wölbing , K. Gandhi , A.K. Rai , S. Godre , V. Crede , S. Dobbs , P. Eugenio , D. Lersch , F. Iazzi , A. Lavagno , M.P. Bussa , S. Spataro , D. Calvo , P. de Remigis , A. Filippi , G. Mazza , A. Rivetti , R. Wheadon , A. Martin , A. Akram , H. Calen , W. Ikegami Andersson , T. Johansson , A. Kupsc , P. Marciniewski , M. Papenbrock , J. Regina , K. Schönning , M. Wolke , J. Diaz , V. Pothodi Chackara , A. Chlopik , G. Kesik , D. Melnychuk , J. Tarasiuk , M. Wojciechowski , S. Wronka , B. Zwieglinski , C. Amsler , P. Bühler , N. Kratochwil , J. Marton , W. Nalti , D. Steinschaden , K. Suzuki , E. Widmann , S. Zimmermann , J. Zmeskal

1 IRFU - Institut de Recherches sur les lois Fondamentales de l'Univers
2 IPNO - Institut de Physique Nucléaire d'Orsay

This paper reports on Monte Carlo simulation results for future measurements of the moduli of time-like proton electromagnetic form factors, $|G_{E}|$ and $|G_{M}|$, using the $\bar{p} p \rightarrow \mu ^{+} \mu ^{-}$ reaction at $\overline{\text {P}}\text {ANDA}$ (FAIR). The electromagnetic form factors are fundamental quantities parameterizing the electric and magnetic structure of hadrons. This work estimates the statistical and total accuracy with which the form factors can be measured at $\overline{\text {P}}\text {ANDA}$, using an analysis of simulated data within the PandaRoot software framework. The most crucial background channel is $\bar{p} p \rightarrow \pi ^{+} \pi ^{-}$, due to the very similar behavior of muons and pions in the detector. The suppression factors are evaluated for this and all other relevant background channels at different values of antiproton beam momentum. The signal/background separation is based on a multivariate analysis, using the Boosted Decision Trees method. An expected background subtraction is included in this study, based on realistic angular distributions of the background contribution. Systematic uncertainties are considered and the relative total uncertainties of the form factor measurements are presented.

Mots clés: anti-p p: scattering; anti-p p: colliding beams; p: form factor; form factor: electromagnetic; beam: momentum; anti-p: beam; numerical calculations: Monte Carlo; background; angular distribution; statistical; programming; suppression; structure; statistical analysis; muon: pair production; data analysis method; PANDA; p anti-p --> muon+ muon-

Domaines: Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]

G. Barucca, F. Davì, G. Lancioni, P. Mengucci, L. Montalto, et al.. Feasibility studies for the measurement of time-like proton electromagnetic form factors from $\bar{p}p \rightarrow \mu ^+\mu ^-$ at $\overline{\text {P}}\text {ANDA}$ at FAIR. Eur.Phys.J.A, 2021, 57 (1), pp.30. ⟨10.1140/epja/s10050-020-00333-3⟩. ⟨hal-02905936⟩