[論文レビュー] Project X: Physics Opportunities

Andreas S. Kronfeld, R. Tschirhart+134 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用数 31

ひとこと要約

本論文は、標準模型の高精度なテストを目的とするProject X（強度フロントランジ・施設）の物理的目標を支援するための包括的なラティスQCDプログラムを概説している。この研究では、ハドロン行列要素を1%未塔の精度で計算する手法を詳細に提示し、CKM行列要素、レア崩壊、ニュートリノ、中間ボソン、ミュオン、EDM実験における新しい物理の信号の改善された決定に寄与する。

ABSTRACT

Part 2 of "Project X: Accelerator Reference Design, Physics Opportunities, Broader Impacts". In this Part, we outline the particle-physics program that can be achieved with Project X, a staged superconducting linac for intensity-frontier particle physics. Topics include neutrino physics, kaon physics, muon physics, electric dipole moments, neutron-antineutron oscillations, new light particles, hadron structure, hadron spectroscopy, and lattice-QCD calculations. Part 1 is available as arXiv:1306.5022 [physics.acc-ph] and Part 3 is available as arXiv:1306.5024 [physics.acc-ph].

研究の動機と目的

• レア崩壊およびフレーバー物理学に不可欠なハドロン行列要素の計算を通じて、標準模型の高精度なテストを可能にする。
• CKM行列要素およびクォーク質量の不確実性を1%未塔のレベルまで低減し、レア過程の予測を改善する。
• 正確な理論的入力を用いて、ニュートリノ散乱、ミュオンから電子への変換、電気双極子モーメントの実験計画を支援する。
• 物理的軽いクォーク質量、電磁力学、動的な charm クォークを含むラティスQCD技術を発展させる。
• 専用の計算インfraストラクチャおよびソフトウェア支援を通じて、理論的予測が実験の精度とスケジュールに適合するように保証する。

提案手法

• 大規模な数値シミュレーションを用いて、メソンおよびバリオン行列要素の非摂動的ラティスQCD計算を実施する。
• 2〜4倍の精度向上を5年間で達成するため、改良されたアクションおよびアルゴリズムを実装し、1%またはそれ以下の誤差を標榜する。
• 物理的軽いクォーク質量を用い、アイソスピン破れおよび電磁的効果を含め、動的な charm クォークを統合する。
• ミュオン g-2 のハドロン的寄与や K→πνν̄ 崩壊といった困難な行列要素のための新しい計算手法を開発する。
• リーダーシップクラスの計算およびUSQCDインfraストラクチャを活用し、シミュレーションの拡大と統計的不確実性の低減を図る。
• 初期のラティス計算時に poorly measured な量についても、実験データとの整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにしてラティスQCDがCKMユニタリティおよびレア崩壊に関連するハドロン行列要素において1%未塔の精度を達成できるか？
• RQ2 バリオン行列要素（例：陽子および中性子）を5〜20%の精度で計算するために、ラティス手法で何らかの改善が必要か？
• RQ3 ミュオン g-2、K→πνν̄、およびCP違反のためのε′に及ぶ長距離寄与を、どのようにして正確にラティスQCDでモデル化できるか？
• RQ4 物理的クォーク質量、電磁力学、動的な charm クォークを含めることで、理論的不確実性がどのように低減されるか？
• RQ5 どのようにしてラティスQCDが、Project Xの実験計画に対して、実験の精度とスケジュールに適合する予測を提供できるか？

主な発見

• 本論文は、5年以内にハドロン行列要素の精度が2〜4倍向上し、多くの量で1%未塔の不確実性に達する見通しを示している。
• B→D*ℓν の形因子の改良された計算により、K→πνν̄ の標準模型予測の不確実性が低下し、実験の目標精度に一致するようになる。
• ニュートリノ-核子散乱およびミュオンから電子への変換に関連するバリオン行列要素は、10〜20%の精度で計算可能であり、発見的物理学に十分な精度である。
• ニュートリノ散乱における軸性ベクトル型形因子は約5%の不確実性で決定可能であり、Project Xのスケジュール内で達成可能な目標である。
• ミュオン g-2、K→πνν̄、および ε′ に及ぶ長距離寄与は、先進的なラティス技術を用いて計算可能であるが、まだ初期段階にとどまっている。
• USQCDの計算インフラストラクチャおよびソフトウェアに対する継続的支援が、高精度ラティスQCDの高い計算要求を満たすために不可欠である。