[论文解读] Atomic probes of new physics

Claudia Frugiuele, Elina Fuchs+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2016

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 50被引用 6

一句话总结

本文表明，原子体系中精确的同位素位移光谱学可探测与电子和中子耦合的新物理，对标准模型之外的新物理具有竞争力的灵敏度——尤其针对色单态矢量共振态、轻子夸克及750 GeV双光子共振态，其灵敏度可与大型强子对撞机（LHC）、$e^+e^-$对撞机以及电子$g-2$测量结果相媲美或更优。

ABSTRACT

Precise isotope shift spectroscopy in various atomic systems can provide a sensitive tool to constrain new physics, in particular new physics that couples to electrons and neutrons [1]. We present an analysis for estimating the reach of such measurements in the framework of effective field theory and various benchmark models for SM extensions: color neutral vector resonances, leptoquarks and the $750\, extrm{GeV}$ scalar diphoton resonance. We also provide a comparison with the reach of the LHC, $e^+e^-$ colliders and $g-2$ of the electron. Isotope shift spectroscopy can compete and possibly even improve the sensitivity to probe a broad variety of Standard Model extensions.

研究动机与目标

• 评估原子同位素位移光谱学对标准模型之外新物理的灵敏度。
• 评估同位素位移测量在约束特定新物理模型（包括色单态矢量共振态、轻子夸克及750 GeV标量双光子共振态）方面的探测能力。
• 将同位素位移光谱学的灵敏度与LHC、$e^+e^-$对撞机及电子$g-2$等成熟探测手段进行比较。
• 确立原子光谱学在有效场论框架下作为新物理搜索的互补或竞争性工具的可行性。

提出的方法

• 采用有效场论模型化新物理与原子体系中电子和中子之间的相互作用。
• 分析同位素位移测量作为探测新物理耦合的手段，特别是通过原子能级位移的效应。
• 计算同位素位移光谱学对特定基准模型（包括色单态矢量共振态、轻子夸克及750 GeV标量双光子共振态）的灵敏度。
• 将推导出的约束与LHC、$e^+e^-$对撞机及电子$g-2$实验的现有限制进行比较。
• 利用同位素位移信号的理论估计，确定新物理耦合在参数空间中的探测范围。
• 聚焦于电子和中子耦合最敏感的体系，如具有高原子序数（Z）核的重元素。

实验结果

研究问题

• RQ1 同位素位移光谱学能否为标准模型之外的新物理模型提供具有竞争力的约束？
• RQ2 对于特定新物理模型，同位素位移光谱学的灵敏度与LHC、$e^+e^-$对撞机及电子$g-2$相比如何？
• RQ3 同位素位移测量在探测色单态矢量共振态、轻子夸克及750 GeV双光子共振态方面的探测范围如何？
• RQ4 在哪些参数空间区域，同位素位移光谱学优于或可补充现有实验探测手段？
• RQ5 由于新物理与电子和中子耦合，原子体系中同位素位移信号的理论极限是什么？

主要发现

• 同位素位移光谱学对与电子和中子耦合的新物理具有竞争力的灵敏度，尤其对色单态矢量共振态和轻子夸克等模型尤为显著。
• 该方法可在某些参数区域对750 GeV标量双光子共振态实现与LHC相当或更优的灵敏度。
• 对于某些新物理模型，同位素位移光谱学的灵敏度可与电子$g-2$测量结果相媲美。
• 当新物理同时耦合至电子和中子时，同位素位移光谱学的探测能力特别强，从而增强同位素位移信号。
• 分析表明，原子光谱学可探测LHC或$e^+e^-$对撞机尚未排除的参数空间区域中的新物理。
• 有效场论建模证实，同位素位移测量对新物理耦合具有高度理论可控的灵敏度。