[论文解读] New Physics Probes: Atomic Parity Violation, Polarized Electron Scattering and Neutrino-Nucleus Coherent Scattering

Giorgio Arcadi, M. Lindner+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

该论文利用有效场论统一了原子电偶极矩破坏（APV）、极化电子散射以及中微子-核相干散射的约束，表明在类似耦合假设下，APV 对新物理的限制强于中微子散射。该研究推导出轻型与重型矢量中介子的动能混合的有力限制，尤其在 Dark Z、3-3-1 和 U(1)X 等模型中，限制达到 mZ′ > 1.7 TeV 且 ε² < 10⁻¹⁰（针对 100 MeV 的 Z′ 粒子）。

ABSTRACT

Atomic Parity Violation (APV) is usually quantified in terms of the weak nuclear charge $Q_W$ of a nucleus, which depends on the coupling strength between the atomic electrons and quarks. In this work, we review the importance of APV to probing new physics using effective field theory. Furthermore, using $SU(2)$ invariance, we correlate our findings with those from neutrino-nucleus coherent scattering. Moreover, we investigate signs of parity violation in polarized electron scattering and show how precise measurements on the Weinberg angle, $\\sin \ heta_W$, will give rise to competitive bounds on light mediators over a wide range of masses and interactions strength. Lastly, apply our bounds to several models namely, Dark Z, Two Higgs Doublet Model-$U(1)_X$ and 3-3-1, considering both light and heavy mediator regimes.

研究动机与目标

• 使用有效场论统一描述原子电偶极矩破坏（APV）、极化电子散射以及中微子-核相干散射的约束。
• 通过 SU(2) 不变性建立 APV 与中微子-核相干散射之间的联系，实现跨实验的互补性约束。
• 通过参数化 sin²θW 和动能混合，推导出对轻型与重型矢量中介子的有力限制。
• 将这些限制应用于具体模型——Dark Z、Two Higgs Doublet Model 中的 U(1)X 以及 3-3-1 模型，评估轻型与重型中介子的参数区域。
• 评估未来实验（如 P2 和 SoLID）通过精确测量 sin²θW 和弱电荷 QW 对新物理的敏感度。

提出的方法

• 使用有效场论（EFT）描述涉及电子、夸克和中微子的新物理相互作用，重点关注矢量和轴向矢量耦合。
• 应用 SU(2) 不变性将 APV 和中微子-核相干散射中 Z 玻色子的耦合联系起来，实现跨实验的约束。
• 通过 sin²θW 的偏移参数化极化电子散射中左右不对称性的新物理贡献，将其与 Z 和 Z′ 之间的动能混合联系起来。
• 利用 P2 和 SoLID 的投影测量结果，推导出 Z′ 质量函数的 Z 与 Z′ 之间动能混合参数 ϵ² 的限制。
• 通过文献中已知的耦合（如 Long et al. 2019）评估模型特异性约束，计算有效耦合 fV,effq 和弱电荷。
• 将该框架应用于具体模型：Dark Z、3-3-1 和 U(1)X，计算轻型与重型中介子的 Z′ 质量和 ϵ² 的下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在新物理耦合到电子和中微子强度相似的假设下，原子电偶极矩破坏（APV）的约束与中微子-核相干散射的约束相比如何？
• RQ2 在极化电子散射中对 sin²θW 的精确测量，能在多大程度上约束 Z 与新 Z′ 玻色子之间的动能混合？
• RQ3 结合 APV、电子散射和中微子散射观测，使用模型无关方法对轻型与重型矢量中介子可得出哪些最强限制？
• RQ4 在 3-3-1 和 U(1)X 等模型中，推导出的 Z′ 质量和动能混合限制与现有的 LHC 和味物理约束相比如何？
• RQ5 当新物理以相似方式耦合到电子和中微子时，APV 是否能提供比中微子-核相干散射更严格的限制？

主要发现

• 在电子和中微子耦合强度相似的假设下，APV 对新物理尺度的限制强于中微子-核相干散射。
• 对于 β=√3 的 3-3-1 模型，APV 推导出 mZ′ > 1.7 TeV 的下限，但该结果弱于现有 LHC 的二胶子/二轻子衰变约束（mZ′ > 4 TeV）。
• 在 mZ′ ≈ 100 MeV 的 U(1)Y′ 模型中，P2 实验的投影结果给出 ε² < 10⁻¹⁰，显著强于 HPS 和 Belle 的限制。
• 对于 mZ′ ≈ 1 GeV，SoLID 实验的投影结果给出 ε² < 10⁻⁷，再次优于现有实验限制。
• 在 Lμ−Lτ 规范对称性模型中，一阶圈诱导的宇称破坏效应已被中微子三重产生和介子混合的现有约束排除。
• 本研究证明，APV 和极化电子散射可在轻型 Z′ 模型中提供具有竞争力，甚至在某些情况下最强的动能混合限制，尤其当 LHC 限制因分支比降低而变弱时。