[论文解读] Constraining beyond the Standard Model nucleon isovector charges

R. E. Smail, M. Batelaan+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本格抽样QCD研究利用费曼-赫尔曼定理与味对称性破缺方法，在五个格点间距和不同体积的多个组态上计算了核子的同位旋矢量张量（gT）、轴矢量（gA）和标量（gS）荷。最终结果——在μ = 2 GeV的MS̄方案下，gT = 1.010(21)stat(12)sys，gA = 1.253(63)stat(41)sys，gS = 1.08(21)stat(03)sys——为中子衰变和电偶极矩可观测量中的新物理提供了精确约束。

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.

研究动机与目标

• 利用格点QCD精确计算核子同位旋张量、轴矢量和标量荷，以约束新标准模型（BSM）物理。
• 通过在多个格点组态上采用味对称性破缺方法，系统地逼近物理夸克质量。
• 量化格点间距和有限体积效应对核子矩阵元计算的系统性不确定性。
• 通过Fierz干涉项和中子电偶极矩，为新物理的张量和标量耦合提供改进的约束。
• 通过提供可靠的强子矩阵元，支持未来高精度中子衰变实验的BSM敏感性分析。

提出的方法

• 利用费曼-赫尔曼定理，从关联函数中计算张量、轴矢量和标量流的核子矩阵元。
• 采用味对称性破缺方法，在五个格点间距和多个体积的组态上，从非物理夸克质量外推至物理质量。
• 通过受控的味对称性破缺展开，系统地考虑夸克质量依赖性。
• 通过联合拟合不同参数的组态，将有限体积和格点间距效应纳入误差预算。
• 使用RI/MOM方案进行重正化，并将结果演化至μ = 2 GeV处的MS̄方案。
• 通过不同组态和拟合程序间的一致性检查验证结果，包括使用AIC进行模型选择。

实验结果

研究问题

• RQ1 在物理夸克质量下，核子同位旋张量、轴矢量和标量荷的精确值是多少？
• RQ2 格点间距和有限体积效应如何系统性地影响核子矩阵元的确定？
• RQ3 计算得到的同位旋荷在多大程度上能约束中子β衰变中新物理的影响，特别是Fierz干涉项b？
• RQ4 张量荷与中子电偶极矩及CP破坏耦合的约束有何关联？
• RQ5 味对称性破缺展开能否以受控的不确定性可靠地将格点QCD结果外推至物理点？

主要发现

• 在μ = 2 GeV的MS̄方案下，核子张量荷确定为gT = 1.010(21)stat(12)sys，总不确定性约为2.3%。
• 轴荷测定为gA = 1.253(63)stat(41)sys，与PDG值一致，但系统误差控制更优。
• 标量荷计算为gS = 1.08(21)stat(03)sys，总不确定性约2.0%，表明标量通道具有高精度。
• 在拟合中包含格点间距和有限体积效应，显著降低了gA和gS的系统性不确定性。
• 结果直接约束了BSM耦合：bBSM ≈ 0.34gSϵS − 5.22gTϵT，使新物理敏感度达到10−3量级。
• 计算得到的张量荷可改进通过中子EDM关系dn = dugT^d + ddgT^u + dsgT^s对夸克电偶极矩的约束，当前实验极限为|dn| < 1.8×10−26 e·cm。