[논문 리뷰] New Physics Probes: Atomic Parity Violation, Polarized Electron Scattering and Neutrino-Nucleus Coherent Scattering

Giorgio Arcadi, M. Lindner외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 원자 반성도 위반(APV), 극성화된 전자 산란, 중성자-핵에서의 공명 산란을 효과적인 장 이론(EFT)을 통해 통합하여, 유사한 결합 조건 하에서 APV가 중성자 산란보다 새로운 물리에 대한 더 강력한 제약을 제공함을 보여준다. 이는 가벼운 및 무거운 벡터 매개자에 대해 경량 혼합에 대한 경쟁력 있는 제약을 도출하며, 특히 Dark Z, 3-3-1, U(1)X 모델에서 mZ′ > 1.7 TeV 및 100 MeV Z′ 보손에 대해 ε² < 10⁻¹⁰의 제약을 얻는다.

ABSTRACT

Atomic Parity Violation (APV) is usually quantified in terms of the weak nuclear charge $Q_W$ of a nucleus, which depends on the coupling strength between the atomic electrons and quarks. In this work, we review the importance of APV to probing new physics using effective field theory. Furthermore, using $SU(2)$ invariance, we correlate our findings with those from neutrino-nucleus coherent scattering. Moreover, we investigate signs of parity violation in polarized electron scattering and show how precise measurements on the Weinberg angle, $\\sin \ heta_W$, will give rise to competitive bounds on light mediators over a wide range of masses and interactions strength. Lastly, apply our bounds to several models namely, Dark Z, Two Higgs Doublet Model-$U(1)_X$ and 3-3-1, considering both light and heavy mediator regimes.

연구 동기 및 목표

• 원자 반성도 위반(APV), 극성화된 전자 산란, 중성자-핵에서의 공명 산란의 제약을 효과적인 장 이론(EFT)을 통해 통합하는 것.
• SU(2) 불변성을 통해 APV와 중성자-핵에서의 공명 산란 간의 연결을 수립함으로써 상호보완적인 관측 제약을 가능하게 하는 것.
• sin²θW와 경량 혼합을 기반으로 한 새로운 물리 효과의 매개변수화를 통해 경량 및 무거운 벡터 매개자에 대한 경쟁력 있는 제약을 도출하는 것.
• 특정 모델—Dark Z, 두 개의 힉스 두중우 모형 내 U(1)X, 3-3-1—에 이 제약를 적용하여 경량 및 무거운 매개자 영역을 모두 평가하는 것.
• P2 및 SoLID와 같은 향후 실험의 정밀 측정을 통해 sin²θW와 약한 전하 QW를 이용한 새로운 물리에 대한 민감도를 평가하는 것.

제안 방법

• 전자, 쿼크, 중성자를 포함한 새로운 물리 상호작용을 기술하기 위해 효과적인 장 이론(EFT)을 사용하며, 벡터 및 아кси얼-벡터 결합에 중점을 둔다.
• SU(2) 불변성을 적용하여 APV와 중성자-핵에서의 공명 산란에서 Z 보손 결합을 연결함으로써 상호관측 제약을 가능하게 한다.
• 극성화된 전자 산란에서의 왼쪽-오른쪽 비대칭성에 대한 새로운 물리 기여를 sin²θW의 변화로 매개변수화하여 Z와 Z′ 간의 경량 혼합과 연결한다.
• P2 및 SoLID의 향후 측정 결과를 사용하여 Z′ 질량에 따라 Z와 Z′ 간의 경량 혼합 매개변수 ϵ²에 대한 제약를 유도한다.
• 기존 문헌(예: Long et al. 2019)에서 알려진 결합을 사용하여 모델 특화 제약를 평가하며, 유효 결합 fV,effq와 약한 전하를 계산한다.
• 이 틀을 특정 모델—Dark Z, 3-3-1, U(1)X—에 적용하여 경량 및 무거운 매개자 모두에 대해 Z′ 질량과 ϵ²에 대한 하한을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유사한 전자 및 중성자에 대한 결합 강도를 가정할 때, 원자 반성도 위반(APV) 제약와 중성자-핵에서의 공명 산란 제약 간의 비교는 어떻게 되는가?
• RQ2 극성화된 전자 산란에서의 sin²θW 정밀 측정이 Z와 새로운 Z′ 보손 간의 경량 혼합을 얼마나 잘 제약할 수 있는가?
• RQ3 APV, 전자 산란, 중성자 산란 관측을 통합하여 경량 및 무거운 벡터 매개자에 대해 모델에 종속되지 않는 가장 강력한 제약는 무엇인가?
• RQ4 3-3-1 및 U(1)X 모델에서 유도된 Z′ 질량 및 경량 혼합 제약는 기존 LHC 및 입자 간성 물리 제약와 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ5 새로운 물리가 전자와 중성자에 유사하게 결합할 경우, APV가 중성자-핵에서의 공명 산란보다 더 엄격한 제약를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 유사한 전자 및 중성자에 대한 결합 강도를 가정할 때, APV는 중성자-핵에서의 공명 산란보다 새로운 물리 스케일에 대해 더 엄격한 제약를 제공한다.
• β=√3인 3-3-1 모델에서, APV로부터 mZ′ > 1.7 TeV의 하한을 도출하였지만, 이는 기존 LHC의 이제트/이온 결합 제약(mZ′ > 4 TeV)에 비해 열등하다.
• U(1)Y′ 모델에서 경량 Z′ 보손(mZ′ ≈ 100 MeV)에 대해 P2 실험의 예측 결과로 ε² < 10⁻¹⁰를 도출하였으며, 이는 HPS 및 Belle 제약보다 훨씬 강력하다.
• mZ′ ≈ 1 GeV일 경우, SoLID 실험의 예측 결과로 ε² < 10⁻⁷를 도출하였으며, 이 역시 기존 실험 제약를 초월한다.
• Lμ−Lτ 게이지 대칭을 가진 모델에서는 1-루프 유도 반성도 위반 효과가 기존 중성자-트라이드로 생산 및 메손 혼합 제약에 의해 배제된다.
• 본 연구는 APV와 극성화된 전자 산란가 경량 Z′ 모델에서 경량 혼합에 대해 경쟁력 있고, 경우에 따라 가장 강력한 제약를 제공할 수 있음을 보여주며, 특히 LHC 제약가 브랜치 비율 감소로 약화될 경우 더욱 두드러진다.