[論文レビュー] Anomalies in Particle Physics

Andreas Crivellin, B. R. Mellado Garcia|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy参考文献 287被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、ミュオンのg-2から希少なB中間ボソン崩壊、ヒッグス対生成に至るまで、素粒子物理学における最近の異常—標準模型の予測からのずれ—をレビューする。実験的整合性、理論的信頼性、および新物理の説明可能性を評価し、特にレプトクォークや拡張されたヒッグス系といった新粒子を強調する。一方で、今後のコライダーおよび高精度実験による、これらの兆候の確認または否定の可能性にも言及する。

ABSTRACT

The currently accepted mathematical description of the fundamental constituents and interactions of matter is the Standard Model of particle physics. Its last missing particle, the famous Higgs boson, was observed at the Large Hadron Collider at CERN in 2012. However, it is clear that the Standard Model cannot be the ultimate theory of Nature, and e.g. cannot account for Dark Matter or non-vanishing neutrino masses (and does not include gravity). In fact, searches for physics beyond the SM have been intensified since the Higgs boson discovery. In this article, we review the hints for new physics, called ``anomalies'', obtained in particle physics experiments within the last years. We consider both direct high-energy searches for new resonances at the LHC and indirect low-energy precision experiments. These anomalies range from the nuclear scale (approximately the mass of the proton) to the electroweak scale (i.e. the mass of the Higgs boson) to the TeV scale (the highest scale directly accessible at the LHC), therefore spanning over four orders of magnitude. After discussing the experimental and theoretical status of the anomalies, we summarize possible explanations in terms of new particles and new interactions. In particular, new Higgs bosons and leptoquarks are promising candidates. Discovery prospects and implications for future colliders are discussed.

研究の動機と目的

• 標準模型の予測から逸脱する最近の実験的異常を体系的に評価し、統合する。
• これらの異常が異なる実験間でどの程度整合的であるか、および理論的計算とどの程度整合するかを評価する。
• 特にレプトクォーク、拡張されたヒッグス系、および新しいフェルミオンを含む、実現可能な新物理モデルを特定し、観測されたずれを説明できるかを検討する。
• LHC、FCC-ee、ILC、CEPCなどの現在および将来の実験が、新物理を確認または除外する可能性をどの程度持つかを明らかにする。
• 標準模型を越えた物理学の文脈において、複数の異常同士の信頼性と相互関連性を評価する包括的なフレームワークを提供する。

提案手法

• 実験的整合性、標準模型の予測の信頼性、統計的有意性、新物理説明の妥当性、および異常同士の一貫性を含む、複数基準のフレームワークを用いた異常に対する体系的評価。
• 高エネルギー加速器（LHC、Belle-II、LHCb）および低エネルギー高精度実験（ミュオンg-2、ベータ崩壊、K→μν、Z→bb̄）からの実験データの分析。
• 希少崩壊およびハドロン的真空極化寄与の理論的予測を改善するため、格子QCDおよび分散関係の利用。
• Belle-II、NA62、PIONEER、および将来のe+e−コライダー（ILC、FCC-ee、CEPC）のシミュレーションと予想感度を用いた、今後の発見可能性の評価。
• レプトクォーク、拡張されたヒッグス系、および強い相互作用を示す新しい粒子が、複数の異常を自然に説明できる可能性を検討するモデル構築分析。
• 標準化されたスコアリングシステムを用いた、異常同士の相互比較により、信頼性と相関関係の順位付けを行う。

Figure 1: Particle content of the Standard Model: Fermions consisting of quarks (gray) and leptons (green) as well as the gauge bosons (red) and the Higgs (blue).

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミュオンのg-2、希少なB中間ボソン崩壊、およびWボソン質量測定における観測された異常は、標準模型を越えた新物理をどの程度示唆しているか？
• RQ2 独立した測定間で実験結果はどの程度整合的であり、それに対応する標準模型の予測はどの程度信頼できるか？
• RQ3 レプトクォークや拡張されたヒッグス系のような単一の新物理モデルが、R(D*)とR(K)の異常を同時に説明できるか？
• RQ4 格子QCDや分散関係などの改善された理論的計算が、実験と標準模型との間の矛盾をどのように解消するか？
• RQ5 FCC-ee、ILC、CEPC、または高出力LHCといった、今後の実験やコライダーの中で、観測された異常を確認または除外する可能性が最も高いのはどれか？

主な発見

• ミュオンの異常磁気モーメント（a_μ）は標準模型と4.2σのずれを示すが、改善されたHVP計算および将来のBelle-IIとMUonEのデータにより、その一部の緊張は解消される可能性がある。
• B中間ボソン崩壊におけるR(D*)およびR(K)の異常—レプトンフラバー普遍性の破れを示唆する—は2.5〜3σの有意性を示し、レプトクォークやZ′ボソンの説明と整合的である。
• CDF II実験によるWボソン質量測定は標準模型の予測から7σのずれを示すが、この結果はまだ議論の余地があり、将来的なe+e−コライダーで解消される可能性がある。
• LHCにおけるジジェットおよびダイフォトン最終状態の過剰信号（例：750 GeVのダイフォトン共鳴）は、Run 3のデータにより不支持されたが、ヒッグス対生成（yy）における類似信号は依然として妥当であり、高出力LHCランでテスト可能である。
• タウからミュオンへの崩壊異常（τ→μνν）は2.5σのずれを示し、将来的なBelle-IIやFCC-eeの測定により確認または除外される可能性がある。
• R(D*)およびR(K)の異常、Wボソン質量の異常、およびeμ過剰信号の間には一貫した関連性が見られ、それらを共通のメカニズム—特に特定の結合を持つレプトクォークやZ′ボソン—で説明できる可能性がある。

Figure 2: Feynman diagrams showing some of the processes where anomalies are observed. The left diagrams depict the SM process, while the right-handed ones show a possible NP explanation. $\left.a\right)$ Schwinger term contribution to $a_{\mu}$ and LQ explanation $\left.b\right)$ beta decay in the