[論文レビュー] Prospects for precision measurements in nuclear beta decay at the LHC era

Martín González‐Alonso, O. Naviliat-Cuncic|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、標準模型を超える新しい物理を探るための精度の高い核および中性子ベータ崩壊実験の役割を評価し、有効場理論フレームワークを用いて大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の探索と感度を比較する。Fierz干渉項が、奇妙なスカラーおよびテンソル結合を主に探る手段であることが特定され、低エネルギーのベータ崩壊実験が高エネルギーの衝突型加速器データと同等あるいはそれ以上の補完的制約を提供することが示された。

ABSTRACT

Precision measurements in nuclear beta decay offer a sensitive window to search for new physics beyond the standard electroweak model and allow also the determination of the fundamental weak vector coupling in processes involving the lightest quarks. Searches for new physics are also a strong motivation for experiments carried out at the high energy frontier reached at the most powerful particle colliders. It is instructive to confront results from the low energy and the high energy frontiers in order to look for possible complementarities and orient new avenues for experiments at low energies. We review here the status of constraints on new physics obtained from nuclear and neutron decays and compare them to those from other semi-leptonic processes and from the LHC. We stress the requirements of new precision experiments in beta decay in order to impact the search for new physics at the light of current and projected LHC results. We describe recent experimental results and ongoing developments in nuclear and neutron beta decay, with emphasis on their planned goals to improve present limits on exotic weak couplings.

研究の動機と目的

• 精度の高いベータ崩壊実験が標準模型を超える新しい物理をどの程度感度を持って探るかを評価すること。
• 低エネルギーのベータ崩壊から得られる奇妙な弱い結合の制約と、高エネルギーのLHC探索から得られる制約を比較すること。
• スカラーおよびテンソル相互作用を探る際、ベータ崩壊において最も感度の高い観測量を特定すること。
• 将来のLHCの感度と計画中の低エネルギー実験の感度を比較することで、今後の実験的目標を導くこと。
• 実験的設計と感度を最適化するうえでFierz干渉項の重要性を強調すること。

提案手法

• 低エネルギーでの半レプトン崩壊における非標準模型（NP）相互作用を記述するために、有効場理論（EFT）フレームワークを用いる。
• クォークレベルの有効ラグランジアンを導入し、6つの独立したNP結合定数（3つのCP保存型と3つのCP破壊型）を含む。これには、ベクトル、スカラー、テンソル、および擬スカラー相互作用が含まれる。
• クォークレベルのNP結合定数をハドロンレベルの相関係数にマッピングし、特にFierz干渉項に注目する。
• ベータ崩壊測定から得られるNP結合定数の制約と、他の半レプトン過程およびLHCデータからの制約を比較する。
• 現在および予想される実験の感度を、奇妙な結合定数に対して分析し、相関測定におけるFierz項の優位性を強調する。
• 将来のLHCの到達感度に匹敵またはそれを上回るための実験的精度（例：Fierz項の$10^{-3}$またはそれ以下の精度）を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 精度の高い核および中性子ベータ崩壊測定は、LHC探索と比較して、奇妙なスカラーおよびテンソル結合定数をどの程度制約するか？
• RQ2 ベータ崩壊において、標準模型を超える新しい物理を検出するための支配的観測量は何か？
• RQ3 現在および計画中の低エネルギー実験は、高エネルギー衝突型加速器の結果とどの程度補完的か？
• RQ4 放射修正および原子核構造効果は、ベータ崩壊観測量の理論的精度をどの程度制限しているか？
• RQ5 将来のLHC結果の感度に匹敵またはそれを上回るためには、Fierz項にどの程度の実験的精度が必要か？

主な発見

• 奇妙なスカラーおよびテンソル結合定数を制約するためには、精度の高いベータ崩壊実験においてFierz干渉項が唯一の関連するパラメータである。
• 最も精密な測定において、Fierz項がNPパrameterに対して線形依存するため、奇妙な結合定数に対する感度が支配的である。
• 現在のベータ崩壊からのCP保存型の奇妙な結合定数に対する制約は、他の半レプトン過程からのものおよびLHCの結果と同等の感度を持つ。
• 将来の低エネルギー実験が奇妙な結合定数をどの程度感度を持って探るかは、Fierz項の精度を$10^{-3}$レベルまたはそれ以上に達するかどうかに大きく依存する。
• 予想されるLHCの結果は、次世代のベータ崩壊実験が到達可能な有効スケールと同等のものを探査するため、低エネルギーと高エネルギーの両フェロントの間で強い相互作用が生じる。
• 放射修正および原子核構造効果の理論的不確実性が、現在のベータ崩壊測定の感度を制限しており、より良い計算によって改善の余地がある。