[論文レビュー] Weinberg Angle and Integer Electric Charges of Quarks

M.A. Faessler|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2013

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ハーン＝ナムブ体系においてクォークが整数電荷を持つと仮定し、これが $ olimits\sin^2\theta_W = 0.25$ を導くことを示している。これは実験的に測定された値 0.23116 と非常に近い。この主張は、$ olimits\gamma$ と $Z$ ボソンの直交性および二光子融合データ、特に LEP における $b\bar{b}$ 生産の増強により裏付けられている。

ABSTRACT

Orthogonality between photon and Z boson involves the Weinberg angle and a scheme for assignments of electric charge and weak isospin to leptons and quarks coupling to photon and Z. The Han-Nambu scheme, with integer electric charges for quarks, satisfies photon-Z orthogonality with sin^2(theta_W)= 0.25 in leading order. Experimental results for photon-photon fusion into charm-anticharm and bottom-antibottom pairs provide further support for assigning integer electric charges to quarks.

研究の動機と目的

• クォークの電荷割り当てを再評価し、標準模型の分数電荷とは異なる枠組みを提示すること。
• ハーン＝ナムブ体系—色ごとに整数電荷を割り当てる—が、観測された $ olimits\gamma$-$Z$ ボソンの直交性を再現できるかを検証すること。
• 二光子融合によるクォーク対生成の実験データが、ハーン＝ナムブ体系と整合するかを評価すること。
• ハーン＝ナムブ体系から導かれる Weinberg 角が、実験的に測定された値と一致するかを検証すること。
• ハーン＝ナムブ枠組み下で、クォークの質量に依存しない Weinberg 角の簡略化された導出を提示すること。

提案手法

• フェルミオンループ寄与の和を用いて、$ olimits\gamma$-$Z$ ボソン結合振幅 $T_{\gamma Z}$ を導出し、結合係数 $C_{\gamma Zfc} \propto Q_{fc} \cdot (I_{3f} - Q_{fc} \sin^2\theta_W)$ を用いる。
• ハーン＝ナムブ体系のもとで、クォークが色ごとに整数電荷を持つと仮定し、直交性条件 $T_{\gamma Z} = 0$ を適用して $ olimits\sin^2\theta_W$ を導出する。
• 得られた $ olimits\sin^2\theta_W = 0.25$ を、$M_Z$ における実験的測定値 $0.23116 \pm 0.00012$ と比較する。
• 二光子融合断面積 $\sigma(\gamma\gamma \to f\bar{f})$ を分析し、$\mu^+\mu^-$ 生成に対する比 $R_2 = 3\langle Q_f^2 \rangle^2$ を導出する。
• LEP における $b\bar{b}$ 生産データを用い、予測を比較する：標準模型では $R_2 = 1/27$、ハーン＝ナムブ体系では $R_2 = 1/3$ となり、実験データは後者を支持する。
• ハーン＝ナムブ体系に従い、標準模型の予測に $c\bar{c}$ に対して 9/4、$b\bar{b}$ に対して 9 のスケーリング係数を適用することで、実験データと一致する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハーン＝ナムブ体系における整数クォーク電荷が、観測された $ olimits\gamma$-$Z$ ボソンの直交性を再現できるか？
• RQ2 直交性条件のもとでハーン＝ナムブ体系から導かれる $ olimits\sin^2\theta_W$ の値は何か？ そして実験値とどのように比較できるか？
• RQ3 二光子融合によるクォーク対生成が、分数電荷ではなく整数電荷を支持する実証的証拠を提供するか？
• RQ4 なぜ LEP における観測された $b\bar{b}$ 生産断面積は、標準模型の予測よりも顕著に高いのか？
• RQ5 ハーン＝ナムブ体系から導かれる Weinberg 角は、フェルミオンの質量に依存せず、理論的枠組みを単純化するのか？

主な発見

• ハーン＝ナムブ体系において、色ごとのクォークが整数電荷を持つと仮定した場合、一次近似で $ olimits\sin^2\theta_W = 0.25$ が得られ、実験的測定値 $0.23116 \pm 0.00012$ と8%以内で一致する。
• ハーン＝ナムブ体系では、$ olimits\sin^2\theta_W = 0.25$ の下で、質量ゼロのフェルミオンを含むすべてのフェルミオンに対して $ olimits\gamma$-$Z$ 直交性条件が満たされる。
• LEP における $b\bar{b}$ 対生成の二光子融合断面積は、標準模型の予測をはるかに上回っており、実験データはハーン＝ナムブ体系を支持する。
• 標準模型の予測に $b\bar{b}$ 生産に対して 9 倍の係数を適用することで、実験データと良好な一致が得られ、ハーン＝ナムブ体系の妥当性が裏付けられる。
• ハーン＝ナムブ体系では $b\bar{b}$ 生産の $R_2 = 1/3$ が得られ、標準模型の $R_2 = 1/27$ と比較して9倍の増幅が生じる。
• ハーン＝ナムブ体系下で $ olimits\sin^2\theta_W = 0.25$ を導出する過程はフェルミオンの質量に依存せず、理論的枠組みを強固かつ簡略化したものとする。