[논문 리뷰] Constraining beyond the Standard Model nucleon isovector charges

R. E. Smail, M. Batelaan외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 격자 QCD 연구는 여러 격자 앙상블들(다섯 개의 격자 간격과 다양한 부피를 포함)에서 피에르슨-헬만 정리와 색상 대칭성 깨짐 접근법을 사용하여 중성자 이소버터 텐서(gT), 축성(gA), 스칼라(gS) 전하를 계산한다. 최종 결과는 μ = 2 GeV에서 MS̄ 체계에서 gT = 1.010(21)stat(12)sys, gA = 1.253(63)stat(41)sys, gS = 1.08(21)stat(03)sys이며, 중성자 붕괴와 전기 dipole moment 관측치에서 표준모형을 초월하는 물리학에 대한 정밀한 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

At the TeV scale, low-energy precision observations of neutron characteristics provide unique probes of novel physics. Precision studies of neutron decay observables are susceptible to beyond the Standard Model (BSM) tensor and scalar interactions, while the neutron electric dipole moment, $d_n$, also has high sensitivity to new BSM CP-violating interactions. To fully utilise the potential of future experimental neutron physics programs, matrix elements of appropriate low-energy effective operators within neutron states must be precisely calculated. We present results from the QCDSF/UKQCD/CSSM collaboration for the isovector charges $g_T,~g_A$ and $g_S$ of the nucleon, $Σ$ and $Ξ$ baryons using lattice QCD methods and the Feynman-Hellmann theorem. We use a flavour symmetry breaking method to systematically approach the physical quark mass using ensembles that span five lattice spacings and multiple volumes. We extend this existing flavour breaking expansion to also account for lattice spacing and finite volume effects in order to quantify all systematic uncertainties. Our final estimates of the nucleon isovector charges are $g_T~=~1.010(21)_{ ext{stat}}(12)_{ ext{sys}},~g_A=1.253(63)_{ ext{stat}}(41)_{ ext{sys}}$ and $g_S~=~1.08(21)_{ ext{stat}}(03)_{ ext{sys}}$ renormalised, where appropriate, at $μ=2~ ext{GeV}$ in the $\overline{ ext{MS}}$ scheme.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월하는 물리학에 대한 제약 조건을 제공하기 위해 격자 QCD를 사용하여 물리적 쿼크 질량에서 중성자 이소버터 텐서, 축성, 스칼라 전하를 정밀하게 계산하는 것.
• 여러 격자 앙상블을 통해 색상 대칭성 깨짐 방법을 체계적으로 적용하여 물리적 쿼크 질량에 접근하는 것.
• 격자 간격과 유한 부피 효과가 중성자 행렬원소 계산에 미치는 체계적 오차를 정량화하는 것.
• Fierz 간섭항과 중성자 전기 dipole moment을 통해 BSM 텐서 및 스칼라 결합에 대한 개선된 제약 조건을 제공하는 것.
• 미래의 고정밀 중성자 붕괴 실험을 지원하기 위해 BSM 민감도 분석을 위한 신뢰할 수 있는 강입자 행렬원소를 제공하는 것.

제안 방법

• 텐서, 축성자, 스칼라 현재의 행렬원소를 상관 함수로부터 계산하기 위해 피에르슨-헬만 정리를 활용하는 것.
• 다섯 개의 격자 간격과 여러 부피에서 비물리적 쿼크 질량에서 물리적 쿼크 질량으로의 외삽을 위해 색상 대칭성 깨짐 접근법을 사용하는 것.
• 쿼크 질량 의존성을 계산적으로 고려하기 위해 색상 대칭성 깨짐에 대한 제어된 전개를 적용하는 것.
• 격자 간격과 유한 부피 효과를 다양한 매개변수를 가진 앙상블에 대한 병합 피팅을 통해 오차 예산에 포함시키는 것.
• 결과를 μ = 2 GeV에서 MS̄ 체계로 옮기기 위해 RI/MOM 체계를 사용하여 재규격화하는 것.
• 다양한 앙상블과 피팅 절차 간의 일관성 검증을 통해 결과를 검증하고, 모델 선택을 위해 AIC를 사용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물리적 쿼크 질량에서 중성자 이소버터 텐서, 축성, 스칼라 전하의 정밀한 값은 무엇인가요?
• RQ2 격자 간격과 유한 부피 효과가 중성자 행렬원소 결정에 어떻게 체계적으로 영향을 미치나요?
• RQ3 계산된 이소버터 전하가 Fierz 간섭항 b에 대해 뉴트리노 붕괴에서의 새로운 물리학을 어느 정도 제약할 수 있나요?
• RQ4 텐서 전하가 중성자 전기 dipole moment과 CP 위반 결합에 대한 제약과 어떻게 관련이 있나요?
• RQ5 색상 대칭성 깨짐 전개는 통제된 오차로 물리적 점에 도달하기 위해 격자 QCD 결과를 신뢰할 만하게 외삽할 수 있나요?

주요 결과

• μ = 2 GeV에서 MS̄ 체계에서 중성자 텐서 전하는 gT = 1.010(21)stat(12)sys로 결정되었으며, 총 오차는 약 2.3%이다.
• 축성 전하는 gA = 1.253(63)stat(41)sys로 산출되었으며, PDG 값과 일치하지만 체계적 오차 제어가 향상되었다.
• 스칼라 전하는 gS = 1.08(21)stat(03)sys로 계산되었으며, 총 오차는 약 2.0%로 스칼라 채널에서 높은 정밀도를 반영한다.
• 격자 간격과 유한 부피 효과를 피팅에 포함시킴으로써 체계적 오차가 감소하였으며, 특히 gA와 gS에 대해 유의미하게 개선되었다.
• 결과는 BSM 결합에 직접적인 제약 조건을 제공한다: bBSM ≈ 0.34gSϵS − 5.22gTϵT로, 새로운 물리학에 대한 민감도가 10−3 수준에서 가능하다.
• 계산된 텐서 전하를 통해 중성자 EDM 관계 dn = dugT^d + ddgT^u + dsgT^s를 통해 쿼크 전기 dipole moment에 대한 개선된 제약 조건을 도출할 수 있으며, 현재 실험 한계는 |dn| < 1.8×10−26 e·cm이다.