[论文解读] Constraints on subleading interactions in beta decay Lagrangian

Adam Falkowski, Martín González‐Alonso+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2021

Nuclear physics research studies被引用 4

一句话总结

本文提出了一套全面的有效场论（EFT）框架，用于描述核β衰变，系统地将夸克尺度的相互作用匹配到MeV能标下的核子尺度动力学。该研究计算了来自伪标量、弱磁矩及张量相互作用的次-leading反冲修正对微分散射宽度的影响，发现存在3.5σ的实验证据支持核子弱磁矩，其结果与同位旋对称性预测一致。

ABSTRACT

We discuss the effective field theory (EFT) for nuclear beta decay. The general quark-level EFT describing charged-current interactions between quarks and leptons is matched to the nucleon-level non-relativistic EFT at the O(MeV) momentum scale characteristic for beta transitions. The matching takes into account, for the first time, the effect of all possible beyond-the-Standard-Model interactions at the subleading order in the recoil momentum. We calculate the impact of all the Wilson coefficients of the leading and subleading EFT Lagrangian on the differential decay width in allowed beta transitions. As an example application, we show how the existing experimental data constrain the subleading Wilson coefficients corresponding to pseudoscalar, weak magnetism, and induced tensor interactions. The data display a 3.5 sigma evidence for nucleon weak magnetism, in agreement with the theory prediction based on isospin symmetry.

研究动机与目标

• 构建基于MeV能标下非相对论性EFT的现代有效场论（EFT）描述，用于核β衰变。
• 系统地将夸克尺度的带电流相互作用匹配到核子尺度EFT，包括所有在反冲动量的次-leading阶（O(∇¹)）下的新物理（BSM）相互作用。
• 计算领先阶与次-leading阶EFT拉格朗日量中所有威尔逊系数对允许β跃迁中微分散射宽度的影响。
• 利用现有实验数据，约束次-leading阶的威尔逊系数，特别是针对伪标量、弱磁矩及诱导张量相互作用。
• 检验实验结果与基于同位旋对称性的理论预测之间的一致性，尤其针对核子弱磁矩。

提出的方法

• 构建以核子和轻子为自由度的无π非相对论性EFT，通过∇/m_N的幂级数展开来组织反冲修正。
• 在MeV能标下将夸克尺度EFT匹配到核子尺度EFT，包括拉格朗日量中所有可能的BSM相互作用，阶数为O(∇¹)。
• 推导允许β衰变中微分散射宽度的显式表达式，包含来自矢量、轴矢量、标量及张量流的线性反冲修正。
• 利用完整的振幅表达式计算可观测量，如电子能谱、角关联及不对称性，包含与核子三动量线性相关的项。
• 将EFT框架应用于提取威尔逊系数的约束，使用来自超允许衰变、中子衰变、镜像衰变及纯费米相关测量的数据。
• 对实验数据进行全局拟合，以提取对次-leading系数的约束，特别是弱磁矩和张量相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自伪标量、弱磁矩及诱导张量相互作用的次-leading反冲修正如何影响允许β跃迁中的微分散射宽度？
• RQ2 现有实验数据在多大程度上约束了β衰变中次-leading EFT相互作用的威尔逊系数？
• RQ3 是否存在实验证据支持在次-leading反冲层次的核子弱磁矩？其结果是否与同位旋对称性预测一致？
• RQ4 次-leading修正如何改变β衰变中的角分布与能谱？这些修正能否与标准模型的领先阶贡献区分开来？
• RQ5 该EFT框架能否在MeV能标下一致地包含标准模型与新物理贡献，从而实现对新物理的约束？

主要发现

• 本文首次完整计算了β衰变EFT中的次-leading反冲修正，包含O(∇¹)阶下所有可能的BSM相互作用。
• 实验数据显示，核子弱磁矩存在3.5σ的证据，与基于同位旋对称性的理论预测一致。
• 利用超允许衰变、中子衰变、镜像衰变及相关测量的数据，对伪标量、弱磁矩及诱导张量相互作用的次-leading威尔逊系数进行了约束。
• 微分散射宽度已计算至核子三动量的一阶线性项，可观测量如A、B及λ_AB不对称性的显式表达式已被推导。
• 分析确认，在零反冲极限下，杰克逊、特雷曼与怀尔德的领先阶EFT公式被正确恢复，且次-leading修正被明确量化。
• EFT框架成功统一了MeV能标下标准模型与新物理对β衰变的贡献，实现了与WEFT及SMEFT的一致匹配。