[논문 리뷰] The P2 Experiment - A future high-precision measurement of the electroweak mixing angle at low momentum transfer

D. Becker, Razvan Bucoveanu외 43명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 156인용 수 50

한 줄 요약

upcoming MESA 가속기에서의 P2 실험은 편향 결맞이(elastic) 전자-양성자 산란을 이용하고 고전류 저에너지 편광 전자빔으로 Q^2 = 4.5×10^-3 GeV^2에서 약 0.14% 정밀도로 양성자 약한 전하와 전자약력 혼합 각 sin^2 theta_W를 측정하는 것을 목표로 한다.

ABSTRACT

This article describes the future P2 parity-violating electron scattering facility at the upcoming MESA accelerator in Mainz. The physics program of the facility comprises indirect, high precision search for physics beyond the Standard Model, measurement of the neutron distribution in nuclear physics, single-spin asymmetries stemming from two-photon exchange and a possible future extension to the measurement of hadronic parity violation. The first measurement of the P2 experiment aims for a high precision determination of the weak mixing angle to a precision of 0.14% at a four-momentum transfer of Q^2 = 4.5 10^{-3} GeV^2. The accuracy is comparable to existing measurements at the Z pole. It comprises a sensitive test of the standard model up to a mass scale of 50 TeV, extendable to 70 TeV. This requires a measurement of the parity violating cross section asymmetry -39.94 10^{-9} in the elastic electron-proton scattering with a total accuracy of 0.56 10^-9 (1.4 %) in 10,000 h of 150 \micro A polarized electron beam impinging on a 60 cm liquid H_2 target allowing for an extraction of the weak charge of the proton which is directly connected to the weak mixing angle. Contributions from gamma Z-box graphs become small at the small beam energy of 155 MeV. The size of the asymmetry is the smallest asymmetry ever measured in electron scattering with an unprecedented goal for the accuracy. We report here on the conceptual design of the P2 spectrometer, its Cherenkov detectors, the integrating read-out electronics as well as the ultra-thin, fast tracking detectors. There has been substantial theory work done in preparation of the determination of the weak mixing angle. The further physics program in particle and nuclear physics is described as well.

연구 동기 및 목표

• 낮은 Q^2에서 양성자 약한 전하 Q_W(p)의 고정밀 결정 방법을 개발하여 표준 모델과 sin^2 theta_W의 변화(runtime)를 테스트한다.
• 155 MeV 편극 전자 빔을 사용하는 MESA를 이용한 저에너지 고광도 편향성 위반 프로그램을 설계하고 구현한다.
• 계통오차 및 방사 보정을 관리하여 측정된 parity-violating asymmetry A^PV에 대해 전체 실험 정밀도를 1.4% 미만으로 달성한다.
• gamma-Z 박스 그래프를 포함한 hadronic 및 방사 보정의 특성 파악 및 관리로 이론적 불확실성을 최소화하며 sin^2 theta_W를 추출한다.]
• method["쌍 방향으로 편광된 155 MeV 전자 빔을 이용한 두께 LH2 표적에서의 탄성 전자-양성자 산란에서 parity-violating asymmetry A^PV를 측정한다.","대칭 편향의 큰 방향수용 각을 갖는 집적 Cherenkov 검출기를 사용하여 대략 0.1 THz의 탄성 이벤트를 수집하고 집적 읽출을 수행한다.","몬테카를로 오차 전파를 적용하여 A^exp 및 실험 매개변수를 Δ sin^2 theta_W로 매핑하고 gamma-Z 박스 기여 및 형태인자 의존성을 포함한다.","실험 데이터와 이론 입력(전자약력 보정 및 hadronic 불확실성)을 결합하여 sin^2 theta_W에 대한 정밀도를 약 0.14%로 얻는다.","MESA 가속기, 편극 소스, 편광 측정, 빔 제어, 필요한 통계치를 달성하는 고전력 LH2 표적에 대해 기술한다."]
• research_questions:[

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Q^2 ≈ 4.5×10^-3 GeV^2에서의 저-Q^2 편향성 전자 산란 측정으로 Q_W(p)를 서브 퍼센트 정밀도로 결정할 수 있는가?
• RQ2 저 Q^2에서 A^PV로 sin^2 theta_W의 달성 가능한 정밀도는 현실적인 빔, 표적, 검출기 및 이론적 불확실성 하에서 어느 정도인가?
• RQ3 gamma-Z 박스 그래프와 hadronic 형태인자가 sin^2 theta_W 추출에 미치는 영향은 얼마나 크며 이를 어떻게 제어할 수 있는가?
• RQ4 원하는 통계 민감도를 달성하기 위해 필요한 빔, 검출기 및 표적 설계(MESA의 능력 포함)는 무엇인가?
• RQ5 주된 sin^2 theta_W 결정 외에도 P2 시설의 더 넓은 물리적 잠재력은 무엇인가(예: 중성자 껍질, 탄소-12 표적, 라이트-SM 너머의 탐색 등)?

주요 결과

• sin^2 theta_W의 정밀도를 Q^2 = 4.5×10^-3 GeV^2에서 0.14%로 목표한다.
• 표적 편향성 기하학: <A^exp> = -39.94×10^-9이며 총 불확실도 Δ<A^exp>_Total = 0.56×10^-9 (1.4%)로 10,000 h 동안 150 µA 빔과 60 cm LH2 표적에서 달성된다.
• 새로운 물리 탐색의 도달 범위는 Λ ≈ 50 TeV(잠재적으로 60 TeV) 수준의 4-페르손 연산 스케일링에 해당하며 QWeak 및 MOLLER와 같은 다른 표준 모델 검사와 경쟁한다.
• 중심값 Box_γZ ≈ 1.07×10^-3, ΔBox_γZ ≈ 0.18×10^-3인 gamma-Z 박스 보정이 포함된 오차 전파가 이론적 불확실성에 기여한다.
• 주요 정밀도를 달성하기 위해서는 10 ppmm의 밀도 변동을 가진 대규모 집적 검출기, 고전력 LH2 표적, 새로운 MESA 가속기가 필요하다.
• 추가 물리학 기회(중성자 껍질, 탄소-12 측정, 역각 주행 실험 등)도 제시되어 있으며 이는 sin^2 theta_W 결정의 주요 내용 외의 가능성을 제시한다.