[論文レビュー] Ab initio study of $\boldsymbol{( u_\ell,\ell^-)}$ and $\boldsymbol{(\overline{ u}_\ell,\ell^+)}$ inclusive scattering in $^{12}$C: confronting the MiniBooNE and T2K CCQE data

Alessandro Lovato, J. Carlson+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 80被引用数 9

ひとこと要約

このab initio研究では、数値的に正確な量子モンテカルロ法を用いて、現実的な2および3核子相互作用と一貫性のある電弱カレントを用い、$^{12}$Cにおける包括的ニュートリノおよび反ニュートリノ散乱断面積を計算した。結果は、ニュートリノおよび反ニュートリノ反応の両方においてMiniBooNEおよびT2Kのデータと優れた一致を示し、広いエネルギー範囲にわたり核構造および電弱カレントモデルの妥当性を裏付けた。

ABSTRACT

We carry out an ab initio calculation of the neutrino flux-folded inclusive cross sections, measured on $^{12}$C by the MiniBooNE and T2K collaborations in the charged-current quasielastic (CCQE) regime. The calculation is based on realistic two- and three-nucleon interactions, and on a realistic nuclear electroweak current with one-and two-nucleon terms that are constructed consistently with these interactions and reproduce low-energy electroweak transitions. Numerically exact quantum Monte Carlo methods are utilized to compute the nuclear weak response functions, by fully retaining many-body correlations in the initial and final states and interference effects between one- and two-body current contributions. We employ a nucleon axial form factor of the dipole form with $\Lambda_A = 1.0$ or $1.15$ GeV, the latter more in line with a very recent lattice QCD determination. The calculated cross sections are found to be in good agreement with the neutrino data of MiniBooNE and T2K, and antineutrino MiniBooNE data, yielding a consistent picture of nuclei and their electroweak properties across a wide regime of energy and momenta.

研究の動機と目的

• $^{12}$Cにおける包含的 charged-current quasielastic (CCQE) ニュートリノおよび反ニュートリノ散乱の第一原理的記述を提供すること。
• MiniBooNEおよびT2Kの実験データと、現実的な核ハミルトニアンおよび電弱カレントの整合性を検証すること。
• 広いエネルギーおよび運動量移動範囲にわたり、多体相関および2体カレント寄与が核弱応答に与える役割を評価すること。
• 現代的な軸対称形式因子の入力、特に最近の格子QCDから得られた$\Lambda_A = 1.15$ GeVの影響を評価すること。

提案手法

• 多体系相関を初期状態および最終状態に完全に保持する形で、核弱応答関数を計算するためにab initio量子モンテカルロ（QMC）法が用いられた。
• 核構造を記述するために、現実的な2および3核子相互作用（Argonne V18およびUrbana UX）が用いられた。
• 1体および2体電弱カレントは、核ハミルトニアンと一貫性を持って構築され、π中間子、rho中間子、およびNからΔ遷移を含んだ。
• 軸対称形式因子は、$\Lambda_A = 1.0$ または $1.15$ GeVを用いたデュアポール形でモデル化された。後者は最近の格子QCD計算から得られた。
• ニュートリノエネルギースペクトルをMiniBooNEおよびT2K実験のものと畳み込むことで、フラックス畳み込み断面積が計算された。
• 1体および2体カレント寄与の干渉効果が、応答関数に明示的に含まれた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な核力および一貫性のある電弱カレントを用いたab initioアプローチは、MiniBooNEおよびT2Kのエネルギー範囲にわたる$^{12}$Cにおける包含的CCQEニュートリノおよび反ニュートリノ散乱を定量的に記述できるか？
• RQ2 最近の格子QCDに裏付けられた$\Lambda_A = 1.15$ GeVを用いた理論的予測は、従来の$\Lambda_A = 1.0$ GeV値と比較して、実験データとどの程度一致するか？
• RQ3 多体系相関および2体カレント寄与を含めることで、平均場またはRFGモデルと比較して、データとの一致がどの程度向上するか？
• RQ4 同じ理論的枠組みが、$^{12}$Cにおけるニュートリノおよび反ニュートリノ散乱データを一貫して記述できるか？
• RQ5 1体および2体カレント項の干渉が、最終的な断面積をどのように形作るか？

主な発見

• 計算された$^{12}$Cにおけるニュートリノおよび反ニュートリノ断面積は、全エネルギー範囲でMiniBooNEおよびT2Kのデータと優れた一致を示し、理論的枠組みの妥当性が裏付けられた。
• 最近の格子QCD結果に一致する$\Lambda_A = 1.15$ GeVを用いることで、従来の$\Lambda_A = 1.0$ GeV値と比較して、実験データとの一致がさらに良好になった。
• 2体カレントおよび1体および2体項の干渉効果の含めることは、特に中間エネルギー領域において、定量的な正確さを達成する上で不可欠であった。
• 1つの核行列要素および電弱カレントパラメータのセットで、ニュートリノおよび反ニュートリノデータを両方とも成功裏に記述でき、charged-current過程全体にわたる一貫性が示された。
• 本研究の結果は、現実的な相互作用および一貫性のあるカレントに基づくab initio手法が、物理的チューニングなしに、複雑な核弱応答を正確に記述できることを示している。