[論文レビュー] Atomic probes of new physics

Claudia Frugiuele, Elina Fuchs+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2016

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 50被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、原子系における正確な同素体シフト分光法が、電子および中性子と結合する新しい物理を探査できることを示しており、標準模型を超える新しい物理に対する感受性が高く、特に色中性のベクトルレゾネンス、レプトクォーク、750 GeVの二光子レゾネンスに対して、LHC、$e^+e^-$衝突機、電子$g-2$測定と同等またはそれ以上の感度を示す。

ABSTRACT

Precise isotope shift spectroscopy in various atomic systems can provide a sensitive tool to constrain new physics, in particular new physics that couples to electrons and neutrons [1]. We present an analysis for estimating the reach of such measurements in the framework of effective field theory and various benchmark models for SM extensions: color neutral vector resonances, leptoquarks and the $750\, extrm{GeV}$ scalar diphoton resonance. We also provide a comparison with the reach of the LHC, $e^+e^-$ colliders and $g-2$ of the electron. Isotope shift spectroscopy can compete and possibly even improve the sensitivity to probe a broad variety of Standard Model extensions.

研究の動機と目的

• 原子系における同素体シフト分光法が、標準模型を超える新しい物理にどれほど感受性があるかを評価すること。
• 色中性のベクトルレゾネンス、レプトクォーク、750 GeVのスカラー二光子レゾネンスといった特定の新しい物理モデルを制約する同素体シフト測定の到達範囲を評価すること。
• 同素体シフト分光法の感受性を、LHC、$e^+e^-$衝突機、電子$g-2$といった既存のプローブと比較すること。
• 有効場理論フレームワークにおいて、原子分光法が新しい物理探査の補完的または競争的ツールとして実現可能であることを確立すること。

提案手法

• 新しい物理と原子系内の電子および中性子との相互作用をモデル化するために有効場理論を用いる。
• 特に原子準位のシフトを通じて新しい物理結合をプローブする同素体シフト測定を分析する。
• 色中性のベクトルレゾネンス、レプトクォーク、750 GeVのスカラー二光子レゾネンスといった特定のベンチマークモデルに対する同素体シフト分光法の感受性を計算する。
• 得られた制約を、LHC、$e^+e^-$衝突機、電子$g-2$実験からの既存の制約と比較する。
• 同素体シフト信号の理論的推定値を用いて、新しい物理結合のパラメータ空間における到達範囲を決定する。
• 電子および中性子への結合が特に感受性が高い系、たとえば高原子番号Zの核を持つ重い原子に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同素体シフト分光法は、標準模型を超える新しい物理モデルに対して、競争的な制約を提供できるか？
• RQ2 特定の新しい物理モデルに対して、同素体シフト分光法の感受性はLHC、$e^+e^-$衝突機、電子$g-2$と比べてどの程度か？
• RQ3 同素体シフト測定は、色中性のベクトルレゾネンス、レプトクォーク、750 GeVの二光子レゾネンスをどの程度まで探査できるか？
• RQ4 同素体シフト分光法は、既存の実験的プローブと比較して、どのパラメータ空間領域で優位であるか、あるいは補完的であるか？
• RQ5 新しい物理が電子および中性子と結合する場合、原子系における同素体シフト信号に理論的限界は何か？

主な発見

• 同素体シフト分光法は、特に色中性のベクトルレゾネンスやレプトクォークといったモデルに対して、電子および中性子と結合する新しい物理に対して競争的な感受性を示す。
• 特定のパラメータ領域では、750 GeVのスカラー二光子レゾネンスを制約する感度が、LHCと同等またはそれ以上である。
• 特定の新しい物理モデルに対して、同素体シフト分光法は電子$g-2$測定と同等の感受性に達することができる。
• 新しい物理が電子および中性子の両方と結合する領域では、同素体シフト信号が強化され、同素体シフト分光法の到達範囲が特に強固になる。
• この分析は、原子分光法がLHC や $e^+e^-$衝突機がまだ除外していないパラメータ空間の領域で新しい物理を探査できることを示している。
• 有効場理論のモデル化により、同素体シフト測定が新しい物理結合に対して高い理論的制御性を有することが確認された。