[論文レビュー] Flavour Physics Beyond the Standard Model: Recent Developments and Future Perspectives

Monika Blanke|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、標準模型を超える新しい物理を調べるための重要な手段としてのフレーバー物理学をレビューし、特に $K\to\pi\nu\overline{\nu}$ におけるレアな中間子崩壊が、約 1000 TeV までの新しい物理スケールを調べるうえで最も感受性が高いチャネルであることを強調している。フレーバー破れ観測量の間の相関関係と、特に $B$ 崩壊、LHC探索、フレーバーを持つダークマターのシナリオにおける新しい物理モデルの制約に果たす役割についても言及している。

ABSTRACT

Flavour physics plays a crucial role in the search for physics beyond the Standard Model (SM). While $B$ physics offers many observables to look for deviations from the SM, the highest new physics sensitivity can be obtained in the rare kaon decays $K oπν\barν$. Of particular interest are correlations between various flavour violating observables that allow to test the symmetries and the operator structure of the new physics flavour sector. New physics searches in rare meson decays are complemented by searches for new flavour violating interactions in the production and decay of new particles at the LHC and in dark matter phenomenology.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理（BSM）を調べるうえでフレーバー物理学が果たす役割を評価すること、特にLHCで直接の信号が得られていない状況における意義を明らかにすること。
• 高エネルギースケールの新しい物理を検出するうえで最も感受性が高い観測量を特定すること、特に $K\to\pi\nu\overline{\nu}$ におけるレアな中間子崩壊に焦点を当てる。
• フレーバー破れ観測量の間の相関関係が、新しい物理のフレーバー構造を制約するためのツールとして果たす役割を調査すること。
• フレーバー制約と他の新しい物理探索（ダークマター、LHCのシグネチャを含む）の相互作用を検討すること。
• 直接検出実験と組み合わせたフレーバー物理学からの制約を受ける中で、フレーバーを持つダークマターのモデルがどれほど現実的であるかを評価すること。

提案手法

• 標準模型におけるフレーバー変換中性荷電現在（FCNC）の理論的抑制機構（CKM階層、GIM機構、$V-A$ 構造）を分析する。
• 有効場理論と $Z^\prime$ モデル実装を用いて、$K^{+}\to\pi^{+}\nu\overline{\nu}$ および $K_L\to\pi^0\nu\overline{\nu}$ のレア崩壊が新しい物理スケールにどれほど感受性があるかを評価する。
• $K^0-\overline{K}^0$ 混合の制約を用いて、フレーバー破れ $Z^\prime$ モデルの妥当性を検証し、演算子寄与のキャンセレーションを許容する。
• LHC探索（例：ストップおよび軽いスキュークの探索）からの制約を、混合 $\tilde{t}_R-\tilde{c}_R$ システムにおけるストップに類する状態に適用する。
• スカラー媒介粒子を通じて右回りクォークと結合するディラックフェルミオンとしてのダークマターを有するフレーバーを持つダークマターのモデルを、Dark Minimal Flavour Violationフレームワークを用いて研究する。
• $\Delta F=1$ のレア崩壊、電弱精度観測量、電気双極子モーメント、直接検出からの制約を統合し、モデルパラメータの境界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レアな中間子崩壊 $K\to\pi\nu\overline{\nu}$ は、テルバーレンジを超える新しい物理スケールに対してどれほど感受性があるのか？
• RQ2 フレーバー破れ観測量の間の相関関係は、新しい物理の背後にあるフレーバー構造を区別するうえでどのような役割を果たすのか？
• RQ3 $K^0-\overline{K}^0$ 混合からの制約は、$Z^\prime$ を介したフレーバー破れの妥当性にどのような影響を与えるのか？
• RQ4 ストップ系におけるフレーバー混合は、超対称モデルにおけるストップ質量と微調整の問題にどのような意味を持つのか？
• RQ5 非最小的フレーバー破れを有するフレーバーを持つダークマターのモデルは、フレーバー、コライダー、直接検出データの統合的制約を受けても成立可能なのか？

主な発見

• レアな中間子崩壊 $K\to\pi\nu\overline{\nu}$ は、約 1000 TeV までの新しい物理スケールに感受性を示し、ゼプト宇宙の間接的探査において最も強力なプローブである。
• クォークに対して左・右両方のカップリングを持つ $Z^\prime$ モデルでは、$K^0-\overline{K}^0$ 混合におけるキャンセレーションのおかげで、$K\to\pi\nu\overline{\nu}$ 崩壊において標準模型とは顕著に異なる結果が得られる可能性がある。
• 左または右のカップリングのみを有する場合、感受性は低下するが、依然として将来のいかなる直接LHC探索よりも高い感度を示し、最大で約 200 TeV まで到達する。
• $B_{s,d}\to\mu^+\mu^-$ 崩壊も、重いフレーバー破れ中性スカラーを伴うモデルでは、ゼプト宇宙を調べる手段として有効である。
• ストップ系におけるフレーバー混合により、$t+\chi_1^0$ 閾値未満のストップ質量が可能となり、ATLASはこのようなシナリオに対して最大230 GeVまでの制約を設定している。
• フレーバー物理学と直接ダークマター検出からの制約を統合することで、フレーバーを持つダークマターのモデルにおける第一クォーク世代へのカップリング $D_{\lambda,11}$ に対して、上界と下界の両方が得られ、特に低質量のダークマターにおいて顕著である。