[论文解读] Strange quark content of the nucleon

Ronald Babich, Richard C. Brower+4 more|ArXiv.org|Jan 28, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 6

一句话总结

本研究使用动力费米子在各向异性晶格上进行的格点QCD计算，聚焦于奇异夸克在核子中贡献的非连通图，计算了奇异标量、轴矢量和电磁形式因子。关键结果为重整化后的奇异标量矩阵元 $ f_{Ts} = 0.51(8)(3) $，该结果对暗物质直接探测截面具有关键意义。

ABSTRACT

We discuss the calculation of disconnected diagrams needed for determining the strange quark content of the nucleon on the lattice. We present results for the strange scalar form factor and the related parameter f_Ts, which enters into the cross-section for the scattering of dark matter off nuclei in supersymmetric extensions of the standard model. In addition, we present results for the strange contribution to the nucleon's axial and electromagnetic form factors. The calculations were performed with two dynamical flavors of Wilson fermions on a 24^3 x 64 anisotropic lattice with a_s = 3a_t = 0.11 fm and M_pi ~ 400 MeV.

研究动机与目标

• 使用具有动力费米子的格点QCD计算核子中奇异夸克组分。
• 解决核子形式因子计算中非连通夸克收缩的挑战。
• 对 $ f_{Ts} $ 提供精确估计，该参数是暗物质直接探测模型中的关键参数。
• 确定奇异轴矢量形式因子 $ G_A^s(Q^2) $，该参数与中微子散射及质子自旋危机相关。
• 评估在计算奇异形式因子时，拟合窗口和有限体积效应带来的系统性不确定度。

提出的方法

• 在 $ 24^3 \times 64 $ 个各向异性晶格上进行格点QCD模拟，使用两种动力费米子，$ a_s \approx 3a_t \approx 0.11 $ fm，且 $ M_\pi \approx 400 $ MeV。
• 采用真空减去的当前插入方法，以减少非连通图中的统计噪声。
• 通过动量空间模糊化和源-阱时间分离的三端点函数提取形式因子。
• 通过拟合两栖点函数提取能级和系数，用于在三端点函数收缩中投影形式因子。
• 对完整拟合过程应用刀切法重抽样，以估计统计误差。
• 使用对称拟合窗口 $ (t - t') = (t' - t_0) $，尽管预计非对称拟合可进一步减小误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有动力费米子的格点QCD中，奇异标量形式因子 $ G_S^s(0) $ 在零动量转移下的值是多少？
• RQ2 奇异轴矢量形式因子 $ G_A^s(Q^2) $ 在零动量和非零动量转移下的行为如何？其值是否与零一致？
• RQ3 如何通过格点计算确定 $ f_{Ts} = \frac{m_s \langle N|\bar{s}s|N\rangle}{M_N} $？该结果对暗物质探测截面有何影响？
• RQ4 在奇异形式因子的非连通图计算中，主要的系统性不确定度来源是什么？
• RQ5 结果与来自电- parity 违反电子散射和中微子实验的实验约束相比如何？

主要发现

• 零动量转移下的奇异标量形式因子为 $ G_S^s(0)_{\text{lat}} = 2.70(38) $，统计误差来自刀切法重抽样。
• 重整化后的奇异标量矩阵元为 $ f_{Ts} = 0.51(8)(3) $，其中第一项误差为统计误差，第二项为格点尺度不确定度。
• 零动量转移下的奇异轴矢量形式因子为 $ G_A^s(0) = -0.064(25) $，表明其为非零负值，在 2.5σ 水平下显著。
• $ G_A^s(Q^2) $ 的动量依赖性在整个探索的 $ Q^2 $ 范围内均显示为非零负值，与先前中微子实验数据一致。
• 奇异电磁形式因子 $ G_E^s(Q^2) $ 在 $ Q^2 = 0 $ 处为零，这与核子中无奇异夸克参与电磁荷的预期一致。
• 奇异标量形式因子的动量依赖性被呈现，显示在非零 $ Q^2 $ 处存在非平凡结构，且无激发态污染导致的平台迹象。