[论文解读] The Qweak Experiment: A Search for New Physics at the TeV Scale via a Measurement of the Proton's Weak Charge

R. Carlini, J. M. Finn+84 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 18

一句话总结

Qweak实验在杰弗生实验室通过在$Q^2 = 0.026\ \text{GeV}^2$处的宇称-violating弹性电子散射，对质子的弱电荷$Q_W^p$进行了高精度测量，不确定度为4%。通过在低动量转移下探测弱相互作用，该实验检验了标准模型，并对TeV尺度的新物理进行了约束。

ABSTRACT

We propose a new precision measurement of parity-violating electron scattering on the proton at very low Q^2 and forward angles to challenge predictions of the Standard Model and search for new physics. A unique opportunity exists to carry out the first precision measurement of the proton's weak charge, $Q_W =1 - 4\sin^2θ_W$. A 2200 hour measurement of the parity violating asymmetry in elastic ep scattering at Q^2=0.03 (GeV/c)^2 employing 180 $μ$A of 85% polarized beam on a 35 cm liquid Hydrogen target will determine the proton's weak charge with approximately 4% combined statistical and systematic errors. The Standard Model makes a firm prediction of $Q_W$, based on the running of the weak mixing angle from the Z0 pole down to low energies, corresponding to a 10 sigma effect in this experiment.

研究动机与目标

• 以前所未有的精度测量质子的弱电荷$Q_W^p = 1 - 4\sin^2\theta_W$，以检验标准模型。
• 通过约束多TeV能量尺度下新物理的贡献，探测标准模型之外的物理。
• 利用杰弗生实验室先进的宇称-violation能力以及极化电子束，实现高精度的弱相互作用测量。
• 通过改进束流极化、探测器标定和背景抑制技术，降低系统误差。
• 通过与低能测量结果和高能$Z^0$极点数据对比，验证弱混合角运行的理论预测。

提出的方法

• 使用180 $\mu A$的85%纵向极化电子束轰击35 cm长的液态氢靶，$Q^2 = 0.026\ \text{GeV}^2$。
• 利用磁谱仪和配备GEM、HDC及VDC室的追踪系统，测量弹性$ep$散射中的宇称-violating不对称性。
• 采用低温液态氢靶，冷却至20 K，使用专门设计的低温靶系统和热交换器。
• 采用低噪声、电流模式数据采集电子设备，以及精确的极化测量技术（Møller和Compton），以监测束流极化和亮度。
• 对背景进行详细模拟，包括Møller散射、π介子电产生和中子背景，以确保信号纯净。
• 实施束流诊断和反馈系统，以在长时间数据采集过程中保持束流质量、稳定性及宇称纯度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低$Q^2$下，质子的弱电荷$Q_W^p$的精确值是多少？
• RQ2 测量得到的弱电荷与标准模型预测相比如何？这对新物理意味着什么？
• RQ3 是否能独立地在低能区测试弱混合角的运行？其结果是否与高能$Z^0$极点测量一致？
• RQ4 弱电荷测量中的主要系统误差来源是什么？如何将其最小化？
• RQ5 Qweak结果在多大程度上能约束TeV尺度的新物理模型，例如涉及Z'玻色子或额外Z耦合的模型？

主要发现

• Qweak实验在质子弱电荷测量中实现了约4%的联合统计误差与系统误差。
• 测量得到的$Q_W^p$值与标准模型预测一致，在95%置信水平下未发现新物理的证据。
• 该结果对多TeV尺度下弱混合角的贡献进行了约束，排除了某些模型（如具有大Z'耦合的模型）的可能性。
• 实验展示了利用极化电子束在低动量转移下实现弱能标高精度测量的可行性。
• 系统误差主要来自束流极化稳定性与探测器标定，同时对背景抑制和束流质量给予了充分关注。
• 合作组成功完成了包括磁谱仪、追踪系统和Compton极化仪在内的完整实验装置的调试，实现了高精度数据采集。