[논문 리뷰] Strange quark content of the nucleon

Ronald Babich, Richard C. Brower외 4명|ArXiv.org|2009. 01. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 13인용 수 6

한 줄 요약

이 격자 양자 색역학 연구는 비등방성 격자에서 동적 윌슨 쿼크를 사용하여 노르몬의 이상 쿼크 성분을 계산하며, 이상 스칼라, 아핀스칼라, 전자기형 인자에 대한 분리된 다이어그램에 중점을 둔다. 주요 결과는 어두운 물질 직접 탐지 단면적에 핵심적인 역할을 하는 재규격화된 이상 스칼라 행렬 원소 $ f_{Ts} = 0.51(8)(3) $ 로 도출된다.

ABSTRACT

We discuss the calculation of disconnected diagrams needed for determining the strange quark content of the nucleon on the lattice. We present results for the strange scalar form factor and the related parameter f_Ts, which enters into the cross-section for the scattering of dark matter off nuclei in supersymmetric extensions of the standard model. In addition, we present results for the strange contribution to the nucleon's axial and electromagnetic form factors. The calculations were performed with two dynamical flavors of Wilson fermions on a 24^3 x 64 anisotropic lattice with a_s = 3a_t = 0.11 fm and M_pi ~ 400 MeV.

연구 동기 및 목표

• 동적 페르미온를 사용한 격자 QCD를 통해 노르몬의 이상 쿼크 성분을 계산하는 것.
• 노르몬 형 인자 계산에서 분리된 쿼크 수축의 과제를 다루는 것.
• $ f_{Ts} $의 정밀한 추정치를 제공하여 어두운 물질 직접 탐지 모델의 핵심 매개변수로 삼는 것.
• 이상 축성형 인자 $ G_A^s(Q^2) $ 를 결정하여 중성자기산란 및 양성자 스핀 위기 문제에 기여하는 것.
• 계산에서 피팅 창과 유한 체적 효과로부터 유래하는 체계적 오차를 평가하는 것.

제안 방법

• 두 종류의 동적 윌슨 페르미온을 사용한 격자 QCD 시뮬레이션으로, $ 24^3 \times 64 $ 비등방성 격자에서 $ a_s \approx 3a_t \approx 0.11 $ fm 이며 $ M_\pi \approx 400 $ MeV 이다.
• 분리된 다이어그램에서 통계적 노이즈를 줄이기 위해 진공을 제거한 전류 삽입을 사용한다.
• 운동량 영역 스메어링과 소스-서킷 간격을 활용한 삼점함수를 통해 형 인자를 추출한다.
• 에너지 준위와 계수를 추출하기 위해 이점함수를 피팅하고, 이를 삼점함수 수축에서 형 인자를 프로젝션하는 데 사용한다.
• 통계적 오차를 추정하기 위해 전체 피팅 절차에 잭나이프 재표본화를 적용한다.
• 대칭 피팅 창 $ (t - t') = (t' - t_0) $ 를 사용하였지만, 비대칭 피팅이 오차를 더 줄일 수 있음을 기대한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적 페르미온를 사용한 격자 QCD에서, 영동량 전달 조건에서 이상 스칼라 형 인자 $ G_S^s(0) $ 의 값은 무엇인가?
• RQ2 이상 축성형 인자 $ G_A^s(Q^2) $ 는 영동량 및 비영동량 전달 조건에서 어떻게 행동하는가? 그리고 0과 일치하는가?
• RQ3 격자에서의 $ f_{Ts} = \frac{m_s \langle N|\bar{s}s|N\rangle}{M_N} $ 의 결정치는 무엇이며, 어두운 물질 탐지 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 분리된 다이어그램을 통한 이상 형 인자 계산에서 지배적인 체계적 오차의 원인은 무엇인가?
• RQ5 parity-위반 전자 산란 및 중성자 실험에서의 실험 제약과 결과는 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 영동량 전달 조건에서의 이상 스칼라 형 인자는 $ G_S^s(0)_{\text{lat}} = 2.70(38) $ 로 도출되었으며, 잭나이프 재표본화로부터 유래한 통계적 오차를 포함한다.
• 재규격화된 이상 스칼라 행렬 원소는 $ f_{Ts} = 0.51(8)(3) $ 로 도출되었으며, 첫 번째 오차는 통계적 오차이고 두 번째 오차는 격자 척도 불확실성에서 기인한다.
• 영동량 전달 조건에서의 이상 축성형 인자는 $ G_A^s(0) = -0.064(25) $ 로 도출되었으며, 2.5σ 수준에서 0과 다를 만큼 음수임을 시사한다.
• $ G_A^s(Q^2) $ 의 운동량 의존성은 탐색된 $ Q^2 $ 범위 전반에서 비영이면서 음수인 값을 보이며, 이는 이전 중성자기산란 데이터와 일치한다.
• 이상 전기 형 인자 $ G_E^s(Q^2) $ 는 $ Q^2 = 0 $ 에서 0이 되며, 노르몬의 전자기 전하에 이상 쿼크가 존재하지 않기 때문에 예상되는 바이다.
• 이상 스칼라 형 인자의 운동량 의존성은 비영이 아닌 비선형적인 구조를 보이며, 고유 상태 오염으로 인한 플랫폼의 증거는 없음을 시사한다.