[논문 리뷰] Ab initio study of $\boldsymbol{( u_\ell,\ell^-)}$ and $\boldsymbol{(\overline{ u}_\ell,\ell^+)}$ inclusive scattering in $^{12}$C: confronting the MiniBooNE and T2K CCQE data

Alessandro Lovato, J. Carlson외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 80인용 수 9

한 줄 요약

이 ab initio 연구는 수치적으로 정확한 양자 몬테카를로 방법을 사용하여 실제 두 뉴클론 및 세 뉴클론 상호작용과 일관된 전약한 전류를 사용해 $^{12}$C에서의 포괄적 뉴트리노 및 반뉴트리노 산란 단면적을 계산한다. 결과는 뉴트리노 및 반뉴트리노 반응에 대해 MiniBooNE와 T2K 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 넓은 에너지 범위에서 핵 구조 및 전약한 전류 모델의 타당성을 입증한다.

ABSTRACT

We carry out an ab initio calculation of the neutrino flux-folded inclusive cross sections, measured on $^{12}$C by the MiniBooNE and T2K collaborations in the charged-current quasielastic (CCQE) regime. The calculation is based on realistic two- and three-nucleon interactions, and on a realistic nuclear electroweak current with one-and two-nucleon terms that are constructed consistently with these interactions and reproduce low-energy electroweak transitions. Numerically exact quantum Monte Carlo methods are utilized to compute the nuclear weak response functions, by fully retaining many-body correlations in the initial and final states and interference effects between one- and two-body current contributions. We employ a nucleon axial form factor of the dipole form with $\Lambda_A = 1.0$ or $1.15$ GeV, the latter more in line with a very recent lattice QCD determination. The calculated cross sections are found to be in good agreement with the neutrino data of MiniBooNE and T2K, and antineutrino MiniBooNE data, yielding a consistent picture of nuclei and their electroweak properties across a wide regime of energy and momenta.

연구 동기 및 목표

• 포괄적 양성자성-약한 비탄성(CCQE) 뉴트리노 및 반뉴트리노 산란에 대한 $^{12}$C에 대한 첫 번째 원리적 기술 제공
• MiniBooNE 및 T2K 실험 데이터와 실제 핵 해밀토니안 및 전약한 전류의 일관성 테스트
• 넓은 에너지 및 운동량 이송 범위에서 핵의 다체 상관관계 및 이중체 전류 기여의 핵 약한 반응에 대한 역할 평가
• 최신 축성형 인자 입력, 특히 라티스 QCD에 기반한 $\Lambda_A = 1.15$ GeV의 영향 평가

제안 방법

• 핵 약한 반응 함수를 계산하기 위해 다체 상관관계를 초기 상태 및 최종 상태에서 완전히 유지하는 ab initio 양자 몬테카를로(QMC) 방법 사용
• 핵 구조를 기술하기 위해 실제 두 뉴클론 및 세 뉴클론 상호작용(Argonne V18 및 Urbana UX) 사용
• 핵 해밀토니안와 일관되게 구성된 일중 및 이중체 전약한 전류를 포함하여 페온, 라이저 메손 및 N에서 Δ 전이 포함
• 축성형 인자는 $\Lambda_A = 1.0$ 또는 $1.15$ GeV를 사용한 디폴 형태로 모델링되며, 후자는 최근 라티스 QCD 계산에 기반함
• 뉴트리노 조건에 따라 단면적을 MiniBooNE 및 T2K 실험의 에너지 스펙트럼과 반응 함수를 콘볼루션하여 계산함
• 일중 및 이중체 전류 기여 간 간섭 효과를 반응 함수에 명시적으로 포함함

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 핵력과 일관된 전약한 전류를 사용한 ab initio 접근법이 MiniBooNE 및 T2K 에너지 범위에서 $^{12}$C에서의 포괄적 CCQE 뉴트리노 및 반뉴트리노 산란을 정량적으로 기술할 수 있는가?
• RQ2 최근 라티스 QCD에 의해 지지되는 $\Lambda_A = 1.15$ GeV를 사용한 이론적 예측이 전통적인 $\Lambda_A = 1.0$ GeV 값보다 실험 데이터와 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ3 의미 있는 평균장 또는 RFG 모델 대비 다체 상관관계 및 이중체 전류 기여가 데이터와의 일치도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 동일한 이론적 프레임워크가 $^{12}$C에서의 뉴트리노 및 반뉴트리노 산란 데이터를 일관되게 기술할 수 있는가?
• RQ5 일중 및 이중체 전류 항 간의 간섭이 최종 단면적 형성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 계산된 $^{12}$C에 대한 뉴트리노 및 반뉴트리노 단면적은 전체 에너지 범위에서 MiniBooNE 및 T2K 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 이론적 프레임워크의 타당성을 입증한다.
• $\Lambda_A = 1.15$ GeV를 사용할 경우 최근 라티스 QCD 결과에 부합하며, 전통적인 $\Lambda_A = 1.0$ GeV 값보다 실험 데이터와 더 나은 일치를 보인다.
• 이중체 전류 및 일중 및 이중체 기여 간 간섭 효과를 포함하는 것이 특히 중간 에너지에서 정량적 정확도를 확보하는 데 필수적이다.
• 단일 세트의 핵 매트릭스 요소 및 전약한 전류 매개변수로 뉴트리노 및 반뉴트리노 데이터를 성공적으로 기술함으로써, 양성자성 과정 전반에 걸쳐 일관성이 있음을 시사한다.
• 실제 상호작용과 일관된 전류를 기반으로 한 ab initio 방법이 현상학적 조정 없이도 복잡한 핵 약한 반응을 정확하게 기술할 수 있음을 보여준다.