Parity Viola+ng Electron Sca2ering Experiments (High Precision - PowerPoint PPT Presentation

Parity ¡Viola+ng ¡Electron ¡Sca2ering ¡Experiments ¡ (High ¡Precision ¡determina+on ¡of ¡the ¡weak ¡mixing ¡angle) ¡ ¡ ¡ Frank ¡Maas ¡ ¡ ¡ (Helmholtz ¡Ins3tute ¡Mainz, ¡GSI ¡Darmstadt ¡and ¡ ¡ Johannes ¡Gutenberg ¡University ¡Mainz) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 53rd ¡Interna+onal ¡Winter ¡Mee+ng ¡on ¡Nuclear ¡Physics ¡ 26-­‑30 ¡January ¡2015 ¡Worms ¡im ¡Veltlin ¡(Bormio, ¡Italy) ¡

¡ High ¡Precision ¡Determina3on ¡of ¡sin 2 ( θ W ) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Running ¡of ¡sin 2 ( θ W ) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Sensi3vity ¡to ¡new ¡physics ¡ ¡ ¡ ¡Experimental ¡Method ¡

Qweak ¡(1GeV) ¡@ ¡Jlab ¡ P2@MESA ¡(0.150 ¡GeV) ¡@ ¡Mainz ¡ Proton ¡weak ¡charge ¡(4%) ¡ Proton ¡weak ¡charge ¡(1.7%) ¡ Toroid ¡spectrometer ¡ Solenoid ¡spectrometer ¡ SOLID ¡(PVDIS ¡11GeV) ¡@ ¡Jlab ¡ Quark ¡weak ¡charge ¡ Moeller ¡(11GeV) ¡@ ¡Jlab ¡ Solenoid ¡spectrometer ¡ Electron ¡weak ¡charge ¡ Toroid ¡Spectrometer ¡

„running “ sin 2 θ eff or sin 2 θ W ( µ )

The ¡role ¡of ¡the ¡weak ¡mixing ¡angle ¡ The ¡rela+ve ¡strength ¡between ¡the ¡weak ¡and ¡electromagne+c ¡interac+on ¡is ¡ determined ¡by ¡ ¡the ¡weak ¡mixing ¡angle: ¡sin 2 (θ W ) ¡ Q e (p) ¡= ¡+e ¡ Q W (p) ¡= ¡1 ¡– ¡4 ¡sin 2 ¡θ W ¡ electric ¡charge ¡of ¡the ¡proton ¡ ¡ weak ¡charge ¡of ¡the ¡proton ¡ ¡ sin 2 ¡θ W : ¡a ¡central ¡parameter ¡of ¡the ¡standard ¡model ¡

“Drell-­‑Yan-­‑Process” ¡

Precision ¡measurements ¡and ¡quantum ¡correc+ons: ¡ running ¡α ¡ ¡ running ¡sin 2 ¡θ W (µ) ¡ ¡ Universal ¡quantum ¡correc+ons: ¡can ¡be ¡absorbed ¡into ¡a ¡ ¡ scale ¡dependent, ¡„running “ sin 2 ¡θ eff ¡or ¡sin 2 ¡θ W (µ) ¡

3 ¡% ¡ Planned ¡Experiments ¡ ¡ or ¡under ¡analysis ¡

Sensitivity to new physics beyond the Standard Model

Sensitivity to new physics beyond the Standard Model Mixing ¡with ¡ New ¡ Dark ¡photon ¡or ¡ ¡ Extra ¡Z ¡ Contact ¡interac3on ¡ Fermions ¡ Dark ¡Z ¡

New ¡massive ¡force ¡carrier ¡of ¡extra ¡U(1) d ¡gauge ¡group; ¡predicted ¡in ¡ almost ¡all ¡string ¡compac+fica+ons ¡ ¡ Dark ¡photon ¡ LHC ¡ 10 -­‑6 ¡ 10 -­‑2 ¡ 10 6 ¡ 10 9 ¡ 10 11 ¡ 10 13 ¡ Mass ¡[eV] ¡ Axion ¡ ʹ″ = ε 2 2 ·√ ¡ α em W’, ¡Z’ ¡ α ʹ″ ¡ Search ¡for ¡the ¡O(GeV/c 2 ) ¡mass ¡scale ¡in ¡a ¡world-­‑wide ¡effort ¡ Ø ¡ ¡Could ¡explain ¡large ¡number ¡of ¡ astrophysical ¡anomalies ¡ ¡ Arkani-Hamed et al. (2009) ¡ Andreas, Ringwald (2010); Andreas, Niebuhr, Ringwald (2012) ¡ Ø ¡ ¡Could ¡explain ¡presently ¡seen ¡ devia+on ¡of ¡>3 σ ¡ between ¡ (g-­‑2) μ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Standard ¡Model ¡predic3on ¡and ¡direct ¡(g-­‑2) μ ¡ measurement ¡ Pospelov(2008) ¡ ¡

BABAR ¡Dark ¡Photon ¡Search ¡(arXiv:1406.2980) ¡ γ ISR ¡ e + ¡ e + /µ + ¡ e -­‑ /µ -­‑ ¡ e -­‑ ¡ Analysis ¡of ¡the ¡full ¡data ¡set ¡ (10 ¡years) ¡ e + e -­‑ ¡ → ¡µ + µ -­‑ ¡γ ISR ¡ e + e -­‑ ¡ → ¡e + e -­‑ ¡γ ISR ¡ arXiv:1406.2980 ¡ En+re ¡remaining ¡white ¡ ¡ A1 ¡-­‑ ¡SFB ¡ region ¡(JLAB ¡APEX, ¡HPS) ¡ Interes3ng ¡in ¡view ¡ ¡ of ¡dark ¡sector ¡ Remaining ¡(g-­‑2) µ ¡welcome ¡region!? ¡ Dark ¡Light ¡@ ¡JLAB-­‑FEL ¡ MESA ¡@ ¡Mainz ¡

Running ¡sin 2 ¡ θ W ¡and ¡Dark ¡Parity ¡Viola+on ¡ Possible ¡P2 ¡Q 2 -­‑Range ¡ Bill ¡Marciano ¡

x Z ψ E158 90% exclusion limits Qweak (4%) x Z N M Z’ = 1.2 TeV SOLID (0.57%) SOLID (0.6%) 1 x x Z ALR Z R1 x Z d x Z I / x Z S x Z p / Z χ β + 0 x x Z B-L x x Z LR x x Z u-int Z R Z Y Z n x / x Z L1 x x Z η Z L -1 / Qweak (2.1%) SOLID (0.55%) Qweak (2.1%)+MOLLER (2.3%) MOLLER (2.3%) -1 0 1 α cos β

Weak ¡ ¡ Charge ¡ ¡ Of ¡ ¡ Proton: ¡ Qweak ¡(Jlab), ¡ P2 ¡(MESA) ¡ Weak ¡ ¡ Weak ¡ ¡ Charge ¡ ¡ Charge ¡ ¡ Of ¡ ¡ Of ¡ ¡ Electron: ¡ Quarks: ¡ MOELLER ¡ SOLID ¡(PVDIS) ¡ (JLAB) ¡ (JLAB) ¡

Jens ¡Erler ¡

Experimental Method

Parity ¡Viola3ng ¡Asymmetry ¡in ¡elas3c ¡electron ¡proton ¡scaqering ¡ σ ≈ (V-­‑A) e (V-­‑A) p ¡ A e V p +V e A p ¡ V-A coupling: parity-violating cross section asymmetry A LR longitudinally pol. electrons unpolarised protons

Parity ¡viola+ng ¡cross ¡sec+on ¡asymmetry ¡ weak charge ¡ hadron structure ¡ Important input from other projects (S1, S3) ¡

Parity ¡viola+ng ¡cross ¡sec+on ¡asymmetry ¡ weak charge ¡ hadron structure ¡

Conceptually ¡very ¡simple ¡experiments ¡ A ¡= ¡(N + -­‑N -­‑ )/(N + +N -­‑ ) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Δ A ¡= ¡(N + +N -­‑ ) -­‑1/2 ¡= ¡N -­‑1/2 ¡ A ¡= ¡20 ¡x ¡10 -­‑9 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2% ¡Measurement ¡ ¡ ¡N ¡= ¡6.25 ¡x ¡10 18 ¡events ¡ ¡ Highest ¡rate, ¡measure ¡Q 2 : ¡Large ¡Solid ¡Angle ¡Spectrometers ¡

Appara3ve ¡(false) ¡asymmetries: ¡ ¡ Extreme ¡good ¡control ¡of ¡beam ¡and ¡target ¡ Flip ¡Helicity ¡fast ¡ Extra ¡spin ¡flip ¡

Topic ¡D: ¡Suppr. ¡of ¡false ¡asymmetries ¡

PVeS Experiment Summary % Pioneering 0 0 % 1 Strange Form Factor (1998-2009) 0 1 -4 S.M. Study (2003-2005) 10 JLab 2010-2012 Future E122 % 1 -5 PVDIS-6 10 G0 Mainz-Be H-I SAMPLE SOLID -6 10 A4 G0 ) PV MIT-12C A4 H-III (A A4 H-He -7 δ 10 H-II PREX-I E158 PREX-II -8 10 Qweak MESA-12C -9 10 Moller MESA-P2 Kent ¡Paschke ¡ -10 10 -8 -6 -5 -3 -7 -4 10 10 10 10 10 10 A PV

Coun3ng ¡Technique ¡

Analogue ¡Technique ¡ Measure ¡Flux ¡of ¡Scaqered ¡electrons: ¡ -­‑ ¡no ¡pile-­‑up ¡(double ¡count ¡losses) ¡ -­‑ ¡sensi3ve ¡to ¡small ¡electr. ¡fields. ¡ -­‑ ¡no ¡separa3on ¡of ¡phys. ¡process ¡

Qweak ¡(1GeV) ¡@ ¡Jlab ¡ P2@MESA ¡(0.150 ¡GeV) ¡@ ¡Mainz ¡ Proton ¡weak ¡charge ¡(4%) ¡ Proton ¡weak ¡charge ¡(1.7%) ¡ Toroid ¡spectrometer ¡ Solenoid ¡spectrometer ¡ SOLID ¡(PVDIS ¡11GeV) ¡@ ¡Jlab ¡ Quark ¡weak ¡charge ¡ Moeller ¡(11GeV) ¡@ ¡Jlab ¡ Solenoid ¡spectrometer ¡ Electron ¡weak ¡charge ¡ Toroid ¡Spectrometer ¡

Qweak ¡Apparatus ¡

Qweak ¡Apparatus ¡

Qweak ¡Apparatus ¡

Qweak ¡Apparatus ¡

Qweak ¡Apparatus ¡

Qweak ¡Apparatus ¡

P2 ¡Experiment ¡at ¡the ¡new ¡MESA ¡accelerator ¡in ¡Mainz ¡(low ¡beam ¡energy, ¡very ¡high ¡precision) ¡ ¡ Kathrin ¡Gerz ¡

Ø ¡ 𝛿𝑎 ¡box ¡graph ¡contribu3ons ¡obtained ¡by ¡modelling ¡hadronic ¡effects: ¡ Ø Hadronic ¡uncertain3es ¡ suppressed ¡at ¡lower ¡energies ¡ Ø Low ¡beam ¡energy ¡experiment: ¡ ¡ P2 ¡@ ¡MESA ¡ P2 ¡ [Gorchstein, ¡Horowitz ¡& ¡Ramsey-­‑Musolf ¡2011] ¡ Progress ¡in ¡Theory ¡ Dominant ¡theore3cal ¡uncertainty: ¡ ¡ -­‑ Theory ¡uncertain3es ¡in ¡box ¡diagrams ¡ -­‑ 2 ¡loop ¡correc3ons ¡ ¡ 𝛿𝑎 ¡box ¡graphs, ¡ ¡ ¡ ​ ⊡ ↓𝛿𝑎 ¡ -­‑ Hadronic ¡contribu3ons ¡in ¡loops ¡ Sensi3ve ¡to ¡hadronic ¡effects ¡ -­‑ Auxiliary ¡measurements ¡ -­‑ PV-­‑asymmetry ¡in ¡Carbon ¡ ¡

General ¡Experiment ¡Kinema+cs ¡

• Contribu3ons ¡to ¡ Δ sin² Θ W ¡ ¡for ¡35° ¡central ¡scaqering ¡angle, ¡E=150 ¡ MeV, ¡10000 ¡h ¡of ¡data ¡taking ¡

Experiment ¡Design ¡Simula+ons: ¡ ¡ What ¡Magne+c ¡field ¡configura+on ¡can ¡we ¡use? ¡ ¡ Dominik ¡Becker ¡

Design ¡with ¡FOPI-­‑like ¡Solenoid ¡

Dominik ¡Becker ¡

Primary ¡par3cle: ¡electron ¡855 ¡MeV ¡ ¡ Cherenkov ¡medium: ¡ ¡ Hereaus ¡Spectrosil ¡2000 ¡ 300mm ¡x ¡70mm ¡x ¡10mm ¡ 45° ¡cut ¡as ¡“outlet ¡op3c” ¡ ¡ PMT: ¡ UV-­‑enhanced, ¡quartz ¡window ¡tube ¡ ET ¡9305 ¡QKMB ¡ ¡ ¡ ¡ Kathrin ¡Gerz ¡

K. ¡Gerz ¡