[论文解读] Ab initio study of $\boldsymbol{( u_\ell,\ell^-)}$ and $\boldsymbol{(\overline{ u}_\ell,\ell^+)}$ inclusive scattering in $^{12}$C: confronting the MiniBooNE and T2K CCQE data

Alessandro Lovato, J. Carlson+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 80被引用 9

一句话总结

本项从头算研究利用真实两体和三体核子相互作用以及一致的电弱流，采用数值精确的量子蒙特卡罗方法，计算了$^{12}$C上包含性中微子和反中微子散射截面。结果在中微子和反中微子反应方面与MiniBooNE和T2K实验数据高度一致，验证了核结构和电弱流模型在广阔能量范围内的可靠性。

ABSTRACT

We carry out an ab initio calculation of the neutrino flux-folded inclusive cross sections, measured on $^{12}$C by the MiniBooNE and T2K collaborations in the charged-current quasielastic (CCQE) regime. The calculation is based on realistic two- and three-nucleon interactions, and on a realistic nuclear electroweak current with one-and two-nucleon terms that are constructed consistently with these interactions and reproduce low-energy electroweak transitions. Numerically exact quantum Monte Carlo methods are utilized to compute the nuclear weak response functions, by fully retaining many-body correlations in the initial and final states and interference effects between one- and two-body current contributions. We employ a nucleon axial form factor of the dipole form with $\Lambda_A = 1.0$ or $1.15$ GeV, the latter more in line with a very recent lattice QCD determination. The calculated cross sections are found to be in good agreement with the neutrino data of MiniBooNE and T2K, and antineutrino MiniBooNE data, yielding a consistent picture of nuclei and their electroweak properties across a wide regime of energy and momenta.

研究动机与目标

• 为$^{12}$C上带电流弹性（CCQE）中微子和反中微子散射提供一种第一性原理描述。
• 检验真实核哈密顿量与电弱流在MiniBooNE和T2K实验数据上的自洽性。
• 评估在宽广能量和动量转移范围内，多体相关性和两体流贡献在核弱响应中的作用。
• 评估现代轴向形式因子输入（包括由格点QCD启发的$\Lambda_A = 1.15$ GeV）的影响。

提出的方法

• 采用从头算量子蒙特卡罗（QMC）方法计算核弱响应函数，完整保留初态和末态中的多体相关性。
• 使用真实两体和三体核子相互作用（Argonne V18和Urbana UX）来描述核结构。
• 构建与核哈密顿量一致的一体和两体电弱流，包括π介子、ρ介子以及N到Δ跃迁。
• 轴向形式因子采用单极形式，$\Lambda_A$取值为1.0或1.15 GeV，后者基于近期格点QCD计算结果。
• 通过将弱响应与MiniBooNE和T2K实验的能量谱卷积，计算中微子通量折叠后的截面。
• 在响应函数中显式包含一体和两体流贡献之间的干涉效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于真实核力和一致电弱流的从头算方法，能否在MiniBooNE和T2K能量范围内定量描述$^{12}$C上包含性CCQE中微子和反中微子散射？
• RQ2 与传统$\Lambda_A = 1.0$ GeV值相比，基于格点QCD支持的$\Lambda_A = 1.15$ GeV理论预测与实验数据的符合程度如何？
• RQ3 与平均场或相对费米气体（RFG）模型相比，多体相关性和两体流贡献在多大程度上改善了与实验数据的一致性？
• RQ4 同一理论框架是否能一致地描述$^{12}$C上中微子和反中微子散射数据？
• RQ5 一体和两体流项之间的干涉在最终截面形状形成中起什么作用？

主要发现

• 计算得到的$^{12}$C中微子和反中微子截面在全能量范围内与MiniBooNE和T2K数据高度一致，验证了理论框架的可靠性。
• 采用与近期格点QCD结果一致的$\Lambda_A = 1.15$ GeV，其理论预测比传统的$\Lambda_A = 1.0$ GeV值更符合实验数据。
• 包含两体流以及一体与两体流项之间干涉效应对于获得定量准确的结果至关重要，尤其在中等能量区域。
• 该模型仅用一组核矩阵元和电弱流参数，即可成功描述中微子和反中微子数据，表明带电流过程中的理论一致性。
• 结果表明，基于真实相互作用和一致流的从头算方法，无需经验拟合，即可准确描述复杂的核弱响应。