[論文レビュー] Discovery of New Physics in Radiative Pion Decays?

M. V. Chizhov|ArXiv.org|Feb 10, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、PIBETA実験が観測した放射性パイオン崩壊（π⁺ → e⁺νγ）における顕著な8σの偏差——特に高エネルギー光子/低エネルギー電子領域での欠損——が、標準模型で説明できないとして、仮想のスピン1の手パリティボソンから生じる新しいテンソル相互作用の微小混合を提案する。これらのテンソル相互作用は、物質への異常な結合から生じ、標準模型の内部ブレムストラール放射の振幅と破壊的干渉を起こし、他の高精度測定と矛盾しない一貫した説明を提供する。

ABSTRACT

Recently a strong indication for a deviation from the standard model (SM) has been obtained by PIBETA Collaboration. Namely, SM fails to describe the energy distribution and the branching ratio of the radiative decays of the positive pions at rest in the high-E_gamma/low-E_e kinematic region. The previous experiment at ISTRA facility, testing the radiative decays of negative pions in flight in a wide kinematic region has alarmed about the same effect, although statistically less significant. The present PIBETA result indicates a deficit of the branching ratio of the radiative pion decay in the specified kinematic region at 8 sigma level in comparison with SM prediction, while in the other kinematic regions both the branching ratios and the energy distributions are compatible with the V-A interaction. We argue that this effect can result only from a small admixture of new tensor interactions. They may arise due to an exchange of new spin one chiral bosons which interact anomalously with matter.

研究の動機と目的

• PIBETAが観測した、標準模型が記述できない高Eγ/低Ee領域における放射性パイオン崩壊の8σの偏差を説明すること。
• PIBETAの異常と、ISTRA実験が事前に観測した、飛行中π⁻ → e⁻ν̄γ崩壊における同様の欠損を、両実験の異なる実験設定にもかかわらず統合すること。
• この異常が標準模型や超対称的拡張によって説明できないことの証明を示し、新物理の必要性を示すこと。
• 効果的で特定の手パリティ構造を持つテンソル相互作用の微小混合が、この効果を生じることを提案すること。これはV−A相互作用とは明確に異なる。
• このような相互作用が、フェルミオンへの異常な結合を持つ新しいスピン1の手パリティボソンの交換によって、最も自然に説明できることを示すこと。

提案手法

• パイオン崩壊振幅のローレンツ構造を分析し、ヘリシティ反転を引き起こし、標準模型の内部ブレムストラール過程と破壊的干渉を起こすのは、σαβ = i/2[γα, γβ]を含むテンソル相互作用に限ることを特定する。
• 非局所的で運動量依存性を持つテンソル相互作用を用いた有効場理論を用い、既存のデータと矛盾しないように新しい物理をモデル化する。
• 手パリティ摂動理論（CHPT）の枠組みを用いて、F_TおよびF′_Tの形因子を制約し、既知のパイオン崩壊パラメータと整合性を保つ。
• 理論的予測の分岐比およびエネルギースペクトルを、PIBETAおよびISTRAのデータと3つの運動学的領域（A、B、C）で比較し、領域Bを異常の中心と特定する。
• |F_T| ≈ 0.01 fπ me/mπ²のテンソル寄与を用いたデータフィットを行い、他の観測量に歪みを生じさせないために、わずかで負のテンソル寄与のみが有効であることを示す。
• テンソルカレントを含む行列要素の解析的表現を導出し、IB(x,y)、SD±(x,y)、T(x,y)などの関数を用いて干渉効果を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射性パイオン崩壊の高Eγ/低Ee領域における8σの偏差は、標準模型を超える新物理によって説明可能か？
• RQ2 異なる実験設定を持つPIBETAとISTRAが、同じ運動学的領域で欠損を観測するのはなぜか？
• RQ3 標準模型の内部ブレムストラール振幅と破壊的干渉を起こすために、新相互作用がどのようなローレンツ構造と手パリティ性質を有する必要があるか？
• RQ4 他の高精度測定に矛盾しないように、有効テンソル相互作用を用いて観測された異常を一貫して記述可能か？
• RQ5 このようなテンソル相互作用の自然な起源は何か？また、それらを媒介する新しい粒子は何か？

主な発見

• PIBETA実験は、高Eγ/低Ee領域におけるπ⁺ → e⁺νγの分岐比に8σの欠損を観測しており、標準模型の予測から顕著に逸脱している。
• この異常は、PIBETAとISTRAの二つの独立した実験で一致しており、統計的ゆらぎではなく、系統的効果である可能性が高い。
• 欠損は、標準模型の内部ブレムストラール振幅と、新しいテンソル相互作用との破壊的干渉によって生じており、この相互作用はV−Aとは明確に異なる手パリティ構造を有する必要がある。
• 異常を説明するには、|F_T| ≈ 0.01 fπ me/mπ² ≈ 0.0069のテンソル形因子が必要であり、F_T ≈ −0.01がデータに最もよくフィットする。
• F_T ≈ F′_T ≈ −0.01のテンソル相互作用は、領域Bで40%の欠損を引き起こすが、他の領域や他の高精度測定との整合性は保たれる。
• 有効テンソル結合定数f_T ≈ f′_T ≈ 0.013は、標準模型や超対称的放射修正から生じないため、新しいスピン1の手パリティボソンが媒介者であると示唆される。