[論文レビュー] Constraining beyond the Standard Model nucleon isovector charges

R. E. Smail, M. Batelaan+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

このラティスQCD研究では、複数のアンサンブル（5つの格子間隔とさまざまな体積を含む）を用い、フェルミ粒子-ヘルマンの定理とフレーバー対称性の破れアプローチを用いて、核子のアイソバリオントレーサー（gT）、軸性（gA）、スカラー（gS）荷重を計算した。最終的な結果—gT = 1.010(21)stat(12)sys、gA = 1.253(63)stat(41)sys、gS = 1.08(21)stat(03)sys（µ = 2 GeVにおけるMS̄スキーム）—は、ニュートロン崩壊と電気双極子モーメント観測量における標準模型を越える物理（BSM）に対する高精度な制約を提供する。

ABSTRACT

At the TeV scale, low-energy precision observations of neutron characteristics provide unique probes of novel physics. Precision studies of neutron decay observables are susceptible to beyond the Standard Model (BSM) tensor and scalar interactions, while the neutron electric dipole moment, $d_n$, also has high sensitivity to new BSM CP-violating interactions. To fully utilise the potential of future experimental neutron physics programs, matrix elements of appropriate low-energy effective operators within neutron states must be precisely calculated. We present results from the QCDSF/UKQCD/CSSM collaboration for the isovector charges $g_T,~g_A$ and $g_S$ of the nucleon, $Σ$ and $Ξ$ baryons using lattice QCD methods and the Feynman-Hellmann theorem. We use a flavour symmetry breaking method to systematically approach the physical quark mass using ensembles that span five lattice spacings and multiple volumes. We extend this existing flavour breaking expansion to also account for lattice spacing and finite volume effects in order to quantify all systematic uncertainties. Our final estimates of the nucleon isovector charges are $g_T~=~1.010(21)_{ ext{stat}}(12)_{ ext{sys}},~g_A=1.253(63)_{ ext{stat}}(41)_{ ext{sys}}$ and $g_S~=~1.08(21)_{ ext{stat}}(03)_{ ext{sys}}$ renormalised, where appropriate, at $μ=2~ ext{GeV}$ in the $\overline{ ext{MS}}$ scheme.

研究の動機と目的

• 標準模型を越える物理（BSM）の制約を得るため、ラティスQCDを用いて核子アイソバリオントレーサー、軸性、スカラー荷重を高精度に計算すること。
• 複数の格子アンサンブルを用い、フレーバー対称性の破れ法を用いて物理的クォーク質量への系統的アプローチを実施すること。
• 核子行列要素の計算における格子間隔効果および有限体積効果に起因する系統的不確かさを定量化すること。
• Fierz干渉項およびニュートロン電気双極子モーメントを通じて、BSMのテンソルおよびスカラー結合に対する改善された制約を提供すること。
• 将来的な高精度ニュートロン崩壊実験を支援するため、BSM感度解析に適したハドロン行列要素を提供すること。

提案手法

• フェルミ粒子-ヘルマンの定理を用いて、相関関数からテンソル、軸ベクトル、スカラーカレントの核子行列要素を計算する。
• 5つの格子間隔と複数の体積を用い、非物理的クォーク質量から物理的クォーク質量への外挿にフレーバー対称性の破れアプローチを適用する。
• クォーク質量依存性を系統的に扱うために、フレーバー対称性の破れにおける制御された展開を適用する。
• 格子間隔および有限体積効果を、パラメータが異なるアンサンブルの統合フィットを通じて誤差予算に組み込む。
• 反規格化にはRI/MOMスキームを用い、結果をµ = 2 GeVにおけるMS̄スキームに発展させる。
• 異なるアンサンブルおよびフィッティング手順間での一貫性チェックを通し、AICを用いたモデル選択による結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的クォーク質量における核子アイソバリオントレーサー、軸性、スカラー荷重の正確な値は何か？
• RQ2 格子間隔および有限体積効果は、核子行列要素の決定にどのように系統的に影響を与えるか？
• RQ3 計算されたアイソバリオントレーサー荷重は、Fierz干渉項bのニュートロンベータ崩壊における新しい物理をどの程度制限できるか？
• RQ4 テンソル荷重は、ニュートロン電気双極子モーメントおよびCP対称性を破る結合に対する制約とどのように関係するか？
• RQ5 フレーバー対称性の破れ展開は、制御された不確かさを伴って物理的点への外挿を信頼できるものとできるか？

主な発見

• 核子テンソル荷重は、µ = 2 GeVにおけるMS̄スキームでgT = 1.010(21)stat(12)sysと決定され、総不確かさは約2.3%であった。
• 軸性荷重はgA = 1.253(63)stat(41)sysと求められ、PDG値と整合的であるが、系統的誤差の制御が向上していた。
• スカラー荷重はgS = 1.08(21)stat(03)sysと計算され、総不確かさは約2.0%であり、スカラーチャンネルにおける高精度を反映していた。
• フィットに格子間隔および有限体積効果を組み込むことで、特にgAおよびgSの系統的不確かさが低減された。
• 結果は、BSM結合に対する直接的な制約を提供する：bBSM ≈ 0.34gSϵS − 5.22gTϵT であり、10−3レベルの新しい物理への感度を可能にする。
• 計算されたテンソル荷重により、ニュートロンEDM関係式dn = dugT^d + ddgT^u + dsgT^sを通じてクォーク電気双極子モーメントに対する改善された制約が得られ、|dn| < 1.8×10−26 e·cmが現在の実験的限界であった。