[論文レビュー] New Physics Probes: Atomic Parity Violation, Polarized Electron Scattering and Neutrino-Nucleus Coherent Scattering

Giorgio Arcadi, M. Lindner+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、有効場理論を用いて、原子のパラティティ違反（APV）、偏光電子散乱、およびニュートリノ-核コherent散乱からの制約を統一し、同様の結合仮定のもとでニュートリノ散乱よりもAPVが新しい物理学に対するより強い制約を提供することを示している。光るおよび重いベクトル媒介粒子の運動量混合に関する競争力のある制約を導出し、特にDark Z、3-3-1、U(1)Xなどのモデルにおいて、mZ′ > 1.7 TeVおよび100 MeVのZ′ボソンに対してε² < 10⁻¹⁰の制約が得られている。

ABSTRACT

Atomic Parity Violation (APV) is usually quantified in terms of the weak nuclear charge $Q_W$ of a nucleus, which depends on the coupling strength between the atomic electrons and quarks. In this work, we review the importance of APV to probing new physics using effective field theory. Furthermore, using $SU(2)$ invariance, we correlate our findings with those from neutrino-nucleus coherent scattering. Moreover, we investigate signs of parity violation in polarized electron scattering and show how precise measurements on the Weinberg angle, $\\sin \ heta_W$, will give rise to competitive bounds on light mediators over a wide range of masses and interactions strength. Lastly, apply our bounds to several models namely, Dark Z, Two Higgs Doublet Model-$U(1)_X$ and 3-3-1, considering both light and heavy mediator regimes.

研究の動機と目的

• 原子のパラティティ違反（APV）、偏光電子散乱、およびニュートリノ-核コherent散乱からの制約を有効場理論を用いて統一すること。
• SU(2)不変性を通じてAPVとニュートリノ-核コherent散乱の間の関係を確立し、観測の補完的性を可能にすること。
• sin²θWと運動量混合を用いて新しい物理学効果をパラメータ化することで、光るおよび重いベクトル媒介粒子に対する競争力のある制約を導出すること。
• 特定のモデル—Dark Z、2ヒッグスダブルレットモデルにおけるU(1)X、および3-3-1—にこれらの制約を適用し、光るおよび重い媒介粒子の両方の領域を評価すること。
• P2およびSoLIDのような今後の実験が、sin²θWおよび弱い電荷QWの精密測定を通じて新しい物理学の感度を評価すること。

提案手法

• 電子、クォーク、ニュートリノを含む新しい物理学の相互作用を記述するために有効場理論（EFT）を用い、ベクトルおよび軸性の結合に焦点を当てる。
• SU(2)不変性を適用してAPVとニュートリノ-核コherent散乱におけるZボソン結合を関連付け、観測間の補完的制約を可能にする。
• 偏光電子散乱における左-右非対称性への新しい物理学の寄与を、sin²θWのずれを通じてパラメータ化し、ZとZ′の間の運動量混合と関連付ける。
• P2およびSoLIDからの予想測定値を用いて、Z′質量の関数としてZとZ′の間の運動量混合パラメータϵ²の制約を導出する。
• 既知の文献（例：Long et al. 2019）からの結合を用いてモデル固有の制約を評価し、有効結合fV,effqおよび弱い電荷を計算する。
• このフレームワークを特定のモデル—Dark Z、3-3-1、U(1)X—に適用し、光るおよび重い媒介粒子の両方についてZ′質量およびϵ²の下限を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子およびニュートリノに対して同様の結合強度を持つと仮定した場合、原子のパラティティ違反（APV）の制約とニュートリノ-核コherent散乱の制約は、どのように新しい物理学を制限するか？
• RQ2 偏光電子散乱におけるsin²θWの精密測定は、Zと新しいZ′ボソンの間の運動量混合をどの程度まで制約できるか？
• RQ3 APV、電子散乱、ニュートリノ散乱の観測を統合した場合、光るおよび重いベクトル媒介粒子に対する最も強いモデルに依存しない制約は何か？
• RQ4 3-3-1やU(1)Xのようなモデルにおいて、導出されたZ′質量および運動量混合の制約は、既存のLHCおよびフラーバー物理学の制約と比較してどうなるか？
• RQ5 新しい物理学が電子およびニュートリノに同様に結合する場合、APVはニュートリノ-核コherent散乱よりもより厳しい制約を提供できるか？

主な発見

• 電子およびニュートリノへの同様の結合強度を仮定した場合、APVはニュートリノ-核コherent散乱よりも新しい物理学のスケールに対するより厳しい制約を提供する。
• β=√3の3-3-1モデルにおいて、APVからmZ′ > 1.7 TeVの下限が導出されたが、これは既存のLHCのジジェット/ディレプトン制約（mZ′ > 4 TeV）に比べて劣位である。
• U(1)Y′モデルにおける軽いZ′ボソン（mZ′ ≈ 100 MeV）に対して、P2実験の予測からε² < 10⁻¹⁰の制約が得られ、HPSおよびBelleの制約よりも顕著に強い。
• mZ′ ≈ 1 GeVの場合、SoLID実験の予測からε² < 10⁻⁷の制約が得られ、再び既存の実験的限界を上回っている。
• Lμ−Lτゲージ対称性を有するモデルでは、1ループ誘導によるパラティティ違反効果は、既存のニュートリノトライデル生成および中間子混合の制約によって除外されている。
• 本研究は、APVおよび偏光電子散乱が、特にLHCの制約がブランチ比の低下により弱体化する場合に、運動量混合に対して競争的かつ場合によっては最も強い制約をもたらす可能性があることを示している。