[論文レビュー] The P2 Experiment - A future high-precision measurement of the electroweak mixing angle at low momentum transfer

D. Becker, Razvan Bucoveanu+43 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 156被引用数 50

ひとこと要約

tldr: 近々のMESA加速器でのP2実験は、Q^2 = 4.5×10^-3 GeV^2で対称性の破れを用いた弾性電子-陽子散乱と高電流・低エネルギー偏極電子ビームを用いて、プロトンの弱電荷と電弱混合角 sin^2 theta_W を約0.14%の精度で測定することを目指す。

ABSTRACT

This article describes the future P2 parity-violating electron scattering facility at the upcoming MESA accelerator in Mainz. The physics program of the facility comprises indirect, high precision search for physics beyond the Standard Model, measurement of the neutron distribution in nuclear physics, single-spin asymmetries stemming from two-photon exchange and a possible future extension to the measurement of hadronic parity violation. The first measurement of the P2 experiment aims for a high precision determination of the weak mixing angle to a precision of 0.14% at a four-momentum transfer of Q^2 = 4.5 10^{-3} GeV^2. The accuracy is comparable to existing measurements at the Z pole. It comprises a sensitive test of the standard model up to a mass scale of 50 TeV, extendable to 70 TeV. This requires a measurement of the parity violating cross section asymmetry -39.94 10^{-9} in the elastic electron-proton scattering with a total accuracy of 0.56 10^-9 (1.4 %) in 10,000 h of 150 \micro A polarized electron beam impinging on a 60 cm liquid H_2 target allowing for an extraction of the weak charge of the proton which is directly connected to the weak mixing angle. Contributions from gamma Z-box graphs become small at the small beam energy of 155 MeV. The size of the asymmetry is the smallest asymmetry ever measured in electron scattering with an unprecedented goal for the accuracy. We report here on the conceptual design of the P2 spectrometer, its Cherenkov detectors, the integrating read-out electronics as well as the ultra-thin, fast tracking detectors. There has been substantial theory work done in preparation of the determination of the weak mixing angle. The further physics program in particle and nuclear physics is described as well.

研究の動機と目的

• 低Q^2における陽子の弱電荷 Q_W(p) の高精度決定を開発し、標準模型と sin^2 theta_W の走行を検証する。
• 155 MeV偏 Polarized electron beam を用いた低エネルギー・高ルミノシティの parity-violation プログラムをMESAで設計・実施する。
• 系統誤差と放射補正を制御することで、測定された parity-violating asymmetry A^PV の総合精度を1.4%未満に達成する。
• ガンマ-Z ボックスを含むハドron的および放射補正を特徴づけ、管理して、理論的不確実性を最小限に抑えつつ sin^2 theta_W を抽出する。

提案手法

• 厚さのある LH2 ターゲット上で、縦偏光された 155 MeV 電子ビームによる弾性電子-陽子散乱における parity-violating 非対称性 A^PV を測定する。
• 大きな方位受理角を持つ積分型チェレンコフ検出器を用いて約0.1 THz の弾性事象を収集し、積分読み出しを行う。
• モンテカルロ誤差伝搬を適用して、A^exp および実験パラメータを Delta sin^2 theta_W に写像し、gamma-Zボックス寄与および形状因子依存性を含める。
• 実験データを電弱放射補正とハドron的不確かさなどの理論入力と組み合わせて、sin^2 theta_W の精度を約0.14%とする。
• 必要な統計を達成するために不可欠な、MESA加速器、偏Polarized source、polarimetry、beam control、および高出力 LH2ターゲットを説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Q^2 ≈ 4.5×10^-3 GeV^2 の低Q^2での parity-violating 電子散乱は、陽子の弱電荷 Q_W(p) をサブパーセントの精度で決定できるか？
• RQ2 現実的なビーム・ターゲット・検出器および理論的不確かさを前提とした場合、低Q^2での A^PV から得られる sin^2 theta_W の精度はどれくらいか？
• RQ3 sin^2 theta_W の抽出における gamma-Z ボックス図およびハドron的形状因子の影響はどれほど大きく、これをどう制御できるか？
• RQ4 望ましい統計感度を達成するには、どのようなビーム・検出器・ターゲット設計（MESAの能力を含む）が必要か？
• RQ5 P2施設のより広い物理学的可能性はどのようなものか（例：中性子スキン、12Cターゲット、SM超えの探索 など）？

主な発見

• Q^2 = 4.5×10^-3 GeV^2 で sin^2 theta_W の精度を0.14%に目指す。
• 対象となる parity-violating 非対称性: <A^exp> = -39.94×10^-9 で総不確かさ Δ<A^exp>_Total = 0.56×10^-9 (1.4%)、10,000 h、150 µAビーム、60 cm LH2ターゲット後。
• 新しい物理探索の感度到達は Λ ≈ 50 TeV（潜在的には 60 TeV まで）に対応する4- fermion 演算子スケーリングによる；QWeak や MOLLER などの他の SM テストと競合。
• 誤差伝搬には gamma-Z ボックス補正が含まれ、中心値 Box_γZ ≈ 1.07×10^-3、ΔBox_γZ ≈ 0.18×10^-3 が全体の理論的不確実性に寄与。
• 大規模な積分検出器、高出力 LH2ターゲット（密度揺らぎ 10 ppmm）および新しい MESA 加速器は、述べられた精度を達成するために必要。
• 研究は主たる sin^2 theta_W 決定以外の追加の物理機会（中性子スキン、炭素-12 測定、後方角ランなど）も概説。