Parity-­‐Viola+ng  Electron  Sca3ering  at  JLab  

David  S.  Armstrong  College  of  William  &  Mary  

MENU  2013      Rome,  Italy  Oct  2    2013  

(replacing  JulieBe  Mammei,  who  kindly    provided  most  of  the  slides)  

Parity-­‐Viola+ng  Electron  Sca3ering  at  JLab  

Electroweak  interac+on  (neutral  current)  

     -­‐  not  one  of  the  canonical  probes  for  Hadron  Physics                        (i.e.  strong  or  electromagne+c)  

   -­‐  nevertheless,  much  of  the  program  should  be        of  interest  to  this  community    

-­‐ Focus  today:                  -­‐  new  results  since  MENU2010              -­‐  plans  for  12  GeV  era  at  Jefferson  Lab  

Outline    

1)  Intro  to  Parity-­‐Viola+ng  Electron  Sca3ering  (PVES)  

2)  The  Vector  Strange  Form  Factors    a  ≈  completed  program  

3) Qweak:  first  results  on  the  proton’s  weak  charge  

4) Neutron  radius  in  Heavy  Nuclei    

5)      Standard  Model  Tests  with  PVES:  plans    at  JLab-­‐12  GeV  

1)    Search  for  physics  Beyond  the  Standard  Model  –  Low  energy  (Q2  <<M2)  precision  tests  complementary      

         to  high  energy  measurements  

10/2/2013   MENU  2013   4  

•  Neutrino  mass  and  their  role  in  the  early  universe                        0νββ  decay,  θ13  ,  β  decay,…  •  Ma3er-­‐an5ma3er  asymmetry  in  the  present  universe        EDM,  DM,  LFV,  0νββ,  θ13  •  Unseen  Forces  of  the  Early  Universe                                                                          Weak  decays,  PVES,  gμ-­‐2,…  

LHC  new  physics  signals  likely  will  need  addi5onal  indirect  evidence  to  pin      down  its  nature  

•  Neutrons:  LifeSme,  P-­‐  &  T-­‐ViolaSng  Asymmetries  (LANSCE,  NIST,  SNS...)  •  Muons:  LifeSme,  Michel  parameters,  g-­‐2,  Mu2e  (PSI,  TRIUMF,  FNAL,  J-­‐PARC...)  •  PVES:  Low-­‐energy  weak  neutral  current  couplings,  precision  weak  mixing  angle  

     (SLAC,  Jefferson  Lab,  Mainz)                                                                                                                                                  new  since  MENU2010:    first  result  from  QWeak  

2)  Study  nucleon  and  nuclear  proper+es  –  Strange  quark  content  of  nucleon        new  since  MENU2010:  HAPPEX-­‐III  –  Neutron  radius  of  heavy  nuclei        new  since  MENU2010  –  first  PREx  results  

A  brief  history  of  parity  viola+on  

R  

R  

L  

L  

1930s  –  weak  interac+on  needed  to  explain  nuclear  β decay  

1950s  –  parity  viola+on  in  weak  interac+on;                                V-­‐A  theory  to  describe  60Co  decay  

1970s  –  neutral  weak  current  events  at                                    Gargamelle  

late  1970s  –  parity  viola+on  observed  in  electron  sca3ering    -­‐  SLAC  E122  

10/2/2013   MENU  2013   5  

Parity-­‐viola+ng  electron  sca3ering  

10/2/2013   MENU  2013   6  

APV ∝

G FQ2

4πα 2gA

e gVT + βgV

e gAT( ) ~ 10−4Q2 GeV2⎡⎣ ⎤⎦

2  

Electroweak  interference  

SLAC  Experiments  

10/2/2013   MENU  2013   7  

SLAC  E122  –  crucial  confirma+on  of    WSG  electroweak  model  

•  Electron-­‐deuteron  deep  inelas+c  sca3ering  •  High  luminosity:    photoemission  from  NEA  GaAs  cathode  •  Rapid  helicity-­‐flip  (sign  of  e-­‐  polariza+on)  •  Polarimetry  to  determine  beam  polariza+on  •  Magne+c  spectrometer:  backgrounds  and  kinema+c  

separa+on  

APV  ~  100  ±  10  ppm  

SLAC  E158  –  1999  •  electron-­‐electron  sca3ering  -­‐  purely  leptonic  interac+on  •  electron-­‐electron  weak  a3rac+ve  force  had  never  been  

measured!  APV  ~  -­‐131  ±  14  ±  10  ppb  

sin2θW=0.20±0.03  

sin2θW=0.2403±0.0013  

Genesis of a Strange Idea

Puzzle:  Ini+al  DIS  measurements  of  spin-­‐structure  of  nucleon  (EMC):            valence  quarks  contribute  unexpectedly  low  frac+on  to  total  spin  -­‐  “Spin  Crisis”  

Possible  reconcilia+on:    large  frac+on  of  spin  from   ?                        eg.  D.  B.  Kaplan  and  A.  Manohar,  Nucl.  Phys.  B310,  527  (1988).  

Theore+cal  realiza+on:    not  only  did  many  available  nucleon  model  calcula+ons  allow  this,  but  they  also  allowed  (and  in  some  cases  favored)    large  strange  quark  contribu+ons    to  other  proper+es  of  nucleon.    

Consterna+on  and  excitement:    at  the  +me,  data  gave  no  constraint  on  strange  contribu+ons  to  charge  distribu+on  and  magne+c  moment!    

Challenge:      how  to  isolate  strange  vector  form  factors?  

Answer:    exploit  the  weak  neutral  current  as  a  probe  

ss

strange  quark  contribu+on  

Define the nucleon form factors associated with a given quark currentq as:

N | qγ µq | N = ψN F1qγ µ + F2

qiσµνq

ν

2MN

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟ ψN

       Assume  isospin  symmetry,    and  we  have  

this  

and  this  

are  well  known  

what  about  this?  

(Assume  neutral  weak  charges  are  known)  

MENU  2013  10/2/2013  

Nucleon  Form  Factors    

NC  and  EM  probe  same  hadronic  flavor  structure,  with  different  couplings:  

Assume  Charge  Symmetry:  

Strange  Form  Factors  

10/2/2013   MENU  2013   11  

Qweak:  Proton’s  weak  charge    

12  

EM  Charge   Weak  Charge  

u   2/3  

d   -­‐1/3  

P  (uud)   +1  

N  (udd)   0   -­‐1  

“Accidental  suppression”  

sensi+vity  to  new  physics  

-­‐ Neutral  current  analog  of  electric  charge:    

10/1/2013   MENU  2013  

Qweak:  Proton’s  weak  charge      

Use  four-­‐fermion  contact  interac+on  to  parameterize  the  effec+ve  PV  electron-­‐quark  couplings  (mass  scale  and  coupling)  

Large  θ Small  θ

Erler,  Kurylov,  and  Ramsey-­‐Musolf,  PRD  68,  016006    2003  

Planned    4%  measurement  of  proton’s  weak  charge  -­‐  probes  TeV  scale  new  physics  

New  physics:  

new  Z',  leptoquarks,  SUSY  ...  

For  electron-­‐quark  sca3ering:  

MENU  2013  10/1/2013  

SM  

Qweak  kinema+cs   Hadronic  term  extracted  from  fit  

Extrac+ng  the  weak  charge  

14  

Hadron  structure  enters  here:  electromagne+c  and      electroweak  form  factors…  

The  previous    strange  form  factor  program  (experiments  at  MIT/Bates,  JLab  and  MAMI)    allow  us  to  subtract  our  hadronic  contribu+on  

Reduced  asymmetry  more  convenient:  

10/1/2013   MENU  2013  

The  Qweak  Apparatus  

15  

Main  detectors  8-­‐fold  symmetry  

VerJcal  driK  chambers  (VDC)  

(rotate)  

Trigger  scinJllator  

Shield  wall  

Lintels    

QTOR    

Lead  collar    

Cleanup  collimators    

Target  

Tungsten  plug   Horizontal  driK  

chambers  (HDC)  (rotate)  

e- beam e- beam

Acceptance  defining  collimator    

QTOR    

MENU  2013  10/2/2013  

Reduced  Asymmetry  

Hadronic  part      extracted  through  global  fit  of  PVES  data.  

16  

in  the  forward-­‐angle  limit  (θ=0)  

MENU  2013  10/1/2013  

V

V

V

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60.0

0.1

0.2

0.3

0.4

Q

Q

Q

�

Q

X�����This ExperimentQ����HAPPEX����SAMPLEV���PVA4O���G0�������SM (prediction)

X

Data Rotated to the Forward-Angle Limit

[GeV/c]Q 22

ç

ç

W�A

/A��α�Q���Ϊ������B

(�����,e

= 0

)p

0Q

2Q

2

ep

MENU  2013  

The  C1q  &  the  neutron’s  weak  charge  

17  MENU  2013  10/1/2013  

0.22

0.24

-0.70 -0.65 -0.60 -0.55 -0.50 -0.45 -0.40

0.18 0.17

0.16

0.15

0.14 0.13

0.12

C1u < C1d

C1u

+ C

1d

sin e |2

-

-

-

-

-

-

-

-

-

0.20

0.26

133Cs APV PVES

Inner Ellipses - 68% CLOuter Ellipses - 95% CL

ZW

The  C1q  &  the  neutron’s  weak  charge  

18  MENU  2013  10/1/2013  

0.22

0.24

-0.70 -0.65 -0.60 -0.55 -0.50 -0.45 -0.40

0.18 0.17

0.16

0.15

0.14 0.13

0.12

C1u < C1d

C1u

+ C

1d

sin e |2

-

-

-

-

-

-

-

-

-

0.20

0.26

133Cs APV PVES

Inner Ellipses - 68% CLOuter Ellipses - 95% CL

ZW

Combining  this  result  with  the  most  precise  atomic  parity  viola+on  experiment  we  can  also  extract,  for  the  first  +me,  the  neutron’s  weak  charge:  

Qweak  –  first  result  

19  10/1/2013   MENU  2013  

First  result      (4%  of  data  set):  

Lots  of  work  to  push  down  systema+c  errors,  but  no  show-­‐stoppers  found….  

Expect  final  result  in  12-­‐18  months  +me.  

More  details:  Fundamental  Symmetries  3,  this  aaernoon  

A                                                of  Auxiliary  Measurements  

20  10/1/2013   MENU  2013  

Qweak  has  data  (under  analysis)  on  a  variety  of  observables    of  poten+al  interest  for  Hadron  physics:  

•   Beam  normal  single-­‐spin  asymmetry*  for  elas+c  sca3ering  on  proton  •   Beam  normal  single-­‐spin  asymmetry  for  elas+c  sca3ering  on  27Al  •   PV  asymmetry  in  the    region.  •   Beam  normal  single-­‐spin  asymmetry  in  the            region.  •   Beam  normal  single-­‐spin  asymmetry  near  W=  2.5  GeV    •   Beam  normal  single-­‐spin  asymmetry  in  pion  photoproduc+on  •   PV  asymmetry  in  inelas+c  region  near  W=2.5  GeV  (related  to          box  diagrams)    •   PV  asymmetry  for  elas+c/quasielas+c  from  27Al  •   PV  asymmetry  in  pion  photoproduc+on    

     *:  aka    vector  analyzing  power    aka    transverse  asymmetry;            generated  by  imaginary  part  of  two-­‐photon  exchange  amplitude              (pace  Wim  van  Oers)  

N → Δ

N → Δ

γZ

208Pb  208Pb  

208Pb  

2  

Neutron  skin  –  PREx    

MENU  2013  10/2/2013  

Exploit  the  large  weak  charge  of  neutron  to  extract  radius  of  neutron  distribu+on  in  heavy  nucleus;  theore+cally  clean  probe.  

First  result  of  PREx  experiment  at  JLab:              PRL  108(2012)112502  

APV  =  0.656  ±  0.060  (stat)  ±  0.014  (syst)  ppm    

PREX,  PREX  II  and  CREX  

Theory  from  P.  Ring  et  al.  Nucl.  Phys.  A  624  (1997)  349  

208Pb  more    closely  approximates  infinite  nuclear  ma3er  The  48Ca  nucleus  is  smaller,  so    APV    can  be  measured  at  a  Q2  where  the  figure  of  merit  is  higher  

                   and                  are  expected  to  be  correlated,  but  the  correla+on  depends  on  the  correctness  of  the  models    

The  structure  of  48Ca  can  be  addressed  in  detailed  microscopic  models  

Measure  both                    and                    -­‐    test  nuclear  structure  models  over  a  large  range  of  A    

MENU  2013  

More  info:  yesterday’s  talks  by  G.  Urcioli  and  M.  Thiel  in  Fundamental  Symmetries  2  

Future:  PVES  at  JLab  in  12  GeV  era  

10/2/2013   MENU  2013   23  

MOLLER    -­‐  precision  Standard  Model  test  by  measuring  weak            charge  of  electron  in  PV  electron-­‐electron  sca3ering  

                                   (revisit  SLAC  E158)      

SOLID    -­‐  precision  Standard  Model  test  by  measuring  PV  DIS  on        deuteron:  access  the  quark  weak  axial  couplings  C2q  

                                               (also  –  a  similar  measurement  was  made  at  6  GeV  in  Hall  A    at  Jefferson  Lab,      X.  Zheng  et  al.,  being  readied  for  publica+on,  but  I’m  not  authorized  to      show  the  results;      stay  tuned…)  

                                     Large  kinema+c  coverage:  disentangle  CSV  and  higher-­‐twist  effects  

2.3%  MOLLER  uncertainty  

Coupling  constants  

Mass  scale  

Lepton  compositeness  –  strong  coupling  –  47  TeV  

LEP2  (gLR  and  sum)  mass  scale  sensi+vity  ~5.2  and  4.4  TeV  

e- e-

e- e-

MOLLER  at  12  GeV  

MENU  2013  10/2/2013  

Doubly-­‐charged  scalar,  heavy  Z’,  SUSY,  dark  Z…    

MOLLER  and  weak  mixing  angle  

10/2/2013   MENU  2013   25  

MS)Z

(MWθ2sin

MS)Z

(MWθ2sin

0.23 0.231 0.232

Moller ± 0.00029

0,lfbA 0.23071 ± 0.00053

)τ

(PlA 0.23131 ± 0.00041

(SLD)lA 0.23070 ± 0.00026

0,bfbA 0.23193 ± 0.00029

1 10 100 1000MH [GeV]

0.227 0.227

0.228 0.228

0.229 0.229

0.23 0.23

0.231 0.231

0.232 0.232

0.233 0.233

0.234 0.234

0.235 0.235

sin2 θ

eff(e

)

ALR(had)

AFB(b)

MOLLER

E158

LHC events

APV

Reminder:  at  tree-­‐level                    QW

e  =        (1  –  4  sin2θW)  

Higgs  discovery  at  LHC  allows  firm  predic+on  of  MOLLER  asymmetry  in  Standard  Model  

MOLLER  and  weak  mixing  angle  

10/2/2013   MENU  2013   26  

MOLLER goal

The  MOLLER  Experiment  

MENU  2013  10/2/2013  

SOLID  –  accessing  the  C2q’s  

10/2/2013   MENU  2013   28  

X  N  

e-­‐  

Z*                γ*  

e-­‐  

Cahn  and  Gilman,  PRD  17  1313  (1978)  polarized  electrons  on  deuterium  

10/2/2013   MENU  2013   29  

Large  θ Small  θ

Red  ellipses  are  PDG  fits  

Blue  bands  represent  expected  data:  Qweak  (leK)  and  PVDIS-­‐-­‐6GeV  (right)  

Green  bands  are  proposed  SOLID  PVDIS  

SOLID  –  Large  Acceptance  Device  

10/2/2013   MENU  2013   30  

SOLID  –  Parity-­‐Conserving  Physics  

10/2/2013   MENU  2013   31  

   -­‐      SIDIS  with  Transversely  Polarized  3He    approved  90  days  

   -­‐      SIDIS  with  Longitudinally  Polarized  3He      approved  35  days  

   -­‐      SIDIS  with  Transversely  Polarized  Proton    approved  120  days  

 -­‐      Near  Threshold  Electroproduc+on  of  J/Psi    approved  60  days  

PVDIS  approved  for  169  days  (half  of  full  request)  

PVES  Experiment  Summary  

10/2/2013   MENU  2013   32  

Summary  

10/2/2013   MENU  2013   33  

Grazie  to  the  MENU  2013  organizers  for  invi+ng  Julie3e  Mammei  to  give  this  talk,  and  for  accep+ng  me  as  a  poor  subs+tute….  

•     Strange  vector  form  factors  of  proton  –  small,  consistent  with  zero.  

•     Qweak:  First  measurement  of  proton’s  weak  charge,  consistent  with    Standard  Model,  25x  more  data  on  tape  

•     PREx:  two-­‐sigma  evidence  for  neutron  “skin”  of  208Pb;  will  improve  a�er      JLab  comes  online  a�er  12  GeV  upgrade,  and  will  extend  to  48Ca  

•     MOLLER  and  SOLID:    major  programs  a�er  JLab  upgrade        two  complementary  Standard  Model  tests.