[論文レビュー] Probing New Physics with Isotope Shift Spectroscopy

Cédric Delaunay, Yotam Soreq|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2016

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ひとこと要約

本稿では、光学原子時計における一価イッテルビウムイオン（Yb⁺）の精密同位体シフト（IS）測定を用いて、標準模型を越える素粒子物理学を探索する手法を提案している。ISデータのキングプロットを分析することで、特に750 GeVのスカラー共振子、1 GeV未満の力、Z⁰結合に関する新物理の感度がTeVスケールで得られ、一部の状況ではLHCの制限を上回る。特に$g_e-2$および二光子データと組み合わせた場合に顕著である。

ABSTRACT

We investigate the potential to probe physics beyond the Standard Model with isotope shift measurements of optical atomic clock transitions. We first derive the reach for generic new physics above the GeV scale at the effective field theory level, as well as estimate the limits on possible new spin-independent forces mediated by sub-GeV states coupled to electrons and neutrons. We also study the weak force and show that isotope shifts could provide strong constraints on the $Z^0$ couplings to valence quarks, which complement precision observables at LEP and atomic parity violation experiments. Finally, motivated by recent experimental hints of a new 750 GeV resonance in diphotons, we also consider the potential to probe its parity-preserving couplings to electrons, quarks and gluons with this method. In particular, combining the diphoton signal with indirect constraints from $g_e-2$ and isotope shifts in Ytterbium allows to probe the resonance coupling to electrons with unprecedented precision.

研究の動機と目的

• 同位体シフト（IS）測定が、標準模型を越える素粒子物理学（BSM）の探査にどのように有用であるかを検討すること。
• 有効場理論（EFT）を用いて、GeVスケール以上での新物理寄与のIS測定への感度を評価すること。
• 電子および中性子に結合する新しい粒子が媒介する、1 GeV未満のスピン不変力の強さに対する制約を評価すること。
• バリオンの価電子とZ⁰ボソンの結合への偏差に対するIS測定の感度を、LEPおよび原子パリティ違反実験と補完的に評価すること。
• ISデータをLHCの二光子信号および$g_e-2$制約と組み合わせ、仮説的な750 GeVのスカラー共振子の電子結合を、未曾有の精度で制約すること。

提案手法

• Yb⁺における2つの狭帯域遷移（E2およびE3）の同位体シフト測定から構築されたキングプロットを用い、質量シフト（MS）およびフィールドシフト（FS）項の理論的不確実性を相殺する。
• 有効場理論（EFT）を用いて、同位体シフトに及ぼす新物理寄与をモデル化し、同位体シフト式$\delta\nu^{i}_{AA'} = K_i\mu_{AA'} + F_i\delta\langle r^2\rangle_{AA'} + X^{i}_{AA'}$における$X^{i}_{AA'}$によってパラメータライズする。
• 実験的ISデータと理論的予測との比較を通じて、キングプロットにおける非線形性が抑制されていると仮定し、新物理への感度を推定する。
• IS制約を$g_e-2$およびLHC二光子探索の既存制約と組み合わせ、750 GeVのスカラー共振子の電子およびクォークへの結合定数を束縛する。
• ナチュラル次元解析を用いて、$g_e-2$へのUV感受性寄与を推定し、光子への有効結合における対数的不確実性を考慮する。
• 最新の実験的精度（Hzレベル）を想定し、将来のIS感度を予測し、LHCおよび他の間接的制約と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Yb⁺光学時計における同位体シフト測定は、TeVスケールの標準模型を越える素粒子物理学を探査できるか？
• RQ2 IS測定は、電子および中性子に結合する新しい粒子が媒介する1 GeV未満のスピン不変力にどの程度感度を示すか？
• RQ3 IS測定は、UPおよびDOWNクォークへのZ⁰ボソン結合を、LEPおよび原子パリティ違反実験と比較してどの程度制約できるか？
• RQ4 ISデータをLHC二光子信号および$g_e-2$測定と組み合わせることで、750 GeVのスカラー共振子の電子結合に対する制約をどのように改善できるか？
• RQ5 ISデータのキングプロットは、理論的不確実性をどの程度抑制し、新物理寄与の高精度抽出を可能にするか？

主な発見

• 電子と中性子に結合するスカラー媒介子は、その中性子結合がアップまたはダウンクォークに支配される場合、約20 TeVまで探査可能である。
• 1 GeV未満の力に対しては、IS測定により、10 MeVのメソン質量でも、微細構造定数α ≈ 1/137の約10⁻¹¹倍の力の強さを制約できる。
• Z⁰ボソンのダウンクォークへの結合に対するISの制約は、Z⁰ピークでのLEP測定を上回り、最大で1桁の強さとなる。
• ISデータをLHC二光子信号および$g_e-2$制約と組み合わせると、750 GeVのスカラー共振子に対して$|y_e| \lesssim 4.1 \times 10^{-3}$が得られ、一部の生成モードでは直接的なLHC制約を上回る。
• 750 GeVのスカラー共振子が$u\bar{u}$生成に支配される場合、IS測定により、電子結合対生成結合比$|y_e| \lesssim (4.1, 3.2, 6.1, 14, 26, 130) \times 10^{-3}$が、それぞれアップ、ダウン、ストレンジ、 charm、ボトムおよびグルーオン結合に対して得られる。
• 本手法は、LHCの感度が限られる電子および軽いクォークへの結合に対して、補完的かつ高精度な新物理探査を提供する。