[論文レビュー] Charming ALPs

Adrián Carmona, Christiane Scherb+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 60被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、QCDに類似したダークセクターまたはFroggatt-Nielsen flavourモデルなどのUV完全モデルにおいて生じる、樹形レベルで上型クォークにのみ結合するアキソン様粒子（ALPs）を調査する。低エネルギー有効理論を用いて、宇宙論的・天体物理学的制約によってこれまで未調査であったパラメータ空間の広い領域を特定し、これからの固定標的に向かう実験およびLHC実験で探査可能であることを示す。また、$D \to \pi^+ \text{非可視}$の測定が、このクラスのALPモデルに対して重要な補完的感度を提供することが示唆される。

ABSTRACT

Axion-like particles (ALPs) are ubiquitous in models of new physics explaining some of the most pressing puzzles of the Standard Model. However, until relatively recently, little attention has been paid to its interplay with flavour. In this work, we study in detail the phenomenology of ALPs that exclusively interact with up-type quarks at the tree-level, which arise in some well-motivated ultra-violet completions such as QCD-like dark sectors or Froggatt-Nielsen type models of flavour. Our study is performed in the low-energy effective theory to highlight the key features of these scenarios in a model independent way. We derive all the existing constraints on these models and demonstrate how upcoming experiments at fixed-target facilities and the LHC can probe a vast region of the parameter space, which is currently not excluded by cosmological and astrophysical bounds. We also emphasize how a future measurement of the currently unavailable meson decay $D o \pi + m{invisible}$ could complement these upcoming searches and help to probe a large unexplored region of their parameter space.

研究の動機と目的

• 樹形レベルで上型クォークにのみ結合するアキソン様粒子（ALPs）のフェノメノロジーを、モデルに依存しない方法で研究すること。
• 現在の宇宙論的および天体物理学的制約によって未制約のままである、このようなALPsの妥当なパラメータ空間を特定・マップすること。
• 近い将来の固定標的に向かう実験およびLHCが、このパラメータ空間の広い領域を探査できる可能性を示すこと。
• 測定が予想される希少崩壊 $D \to \pi^+ \text{非可視}$ が、これらのALPモデルの探査において重要な補完的感度を提供することの重要性を強調すること。

提案手法

• 具体的なUV完備化に依存しない、上型クォークとのALP相互作用を記述する低エネルギー有効場理論の構築。
• モデルパラメータに関する、既存の実験的・宇宙論的・天体物理学的制約の導出。
• 許容領域および除外領域をマップする包括的なフェノメノロジカル解析の実施。
• 固定標的に向かう実験およびLHCの、これらのALPsの探査可能性の評価。
• 希少崩壊 $D \to \pi^+ \text{非可視}$ がモデルの探査に与える感度の評価。
• UV動機づけられた実現化の広範な適用を保証する、モデルに依存しない有効場理論技術の使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モデルに依存しない有効場理論フレームワークにおいて、上型クォークにのみ結合するALPsの主なフェノメノロジカル特徴は何か？
• RQ2 現在の宇宙論的および天体物理学的制約によって未制約のままであるALPパラメータ空間の領域はどこか？
• RQ3 近い将来の固定標的に向かう実験およびLHCは、このパラメータ空間のこれまで未探査の領域をどのように探査できるか？
• RQ4 $D \to \pi^+ \text{非可視}$崩壊が、未探査のパラメータ空間の探査において果たす役割は何か？
• RQ5 QCDに類似したダークセクターまたはFroggatt-Nielsen flavourモデルなどのUV動機づけられたモデルは、このようなALP結合をどのように実現するか？

主な発見

• 特に上型クォークに結合する軽いALPsに関しては、現在の宇宙論的および天体物理学的制約によって除外されていないパラメータ空間の広い領域が存在する。
• 近い将来の固定標的に向かう実験およびLHCは、特に中間子のしきい値未満のALP質量領域において、これまでアクセス不可能であった広いパラメータ空間の領域を探査可能である。
• 希少崩壊 $D \to \pi^+ \text{非可視}$ が測定されれば、このクラスのALPモデルに対する強力な補完的探査手段となる。
• モデルに依存しない有効場理論アプローチにより、フェノメノロジーが上型クォークへの結合によって支配されており、他のフェルミオンの影響は最小限であることが明らかになった。
• 希少中間子およびパイオン崩壊からの制約は、従来の予想よりも厳しくないことが判明し、新しい物理の信号が残る余地がある。
• 今後の実験が高感度を示すと予想される、パラメータ空間内の特定のベンチマークポイントが同定された。