[論文レビュー] Fundamental Physics at the Intensity Frontier

J.L. Hewett, H. Weerts+466 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用数 147

ひとこと要約

本報告は、強度フロントアレイにおける素粒子物理学の現状を要約し、フラバー物理学、ニュートリノ性質、陽子崩壊、弱く結合する粒子を対象とした精度測定を通じて、標準模型を超えた新しい物理学を解明するための協働的で多分野にわたるアプローチを提唱する。実験的分野としての重いクォーク、電荷を帯びたレプトン、ニュートリノ、原子系が、すべてTeVスケールの新しい物理学に敏感であり、ダークマター や超新星のダイナミクスといった宇宙論的現象と関連している点で強い相乗効果を示している。

ABSTRACT

The Proceedings of the 2011 workshop on Fundamental Physics at the Intensity Frontier. Science opportunities at the intensity frontier are identified and described in the areas of heavy quarks, charged leptons, neutrinos, proton decay, new light weakly-coupled particles, and nucleons, nuclei, and atoms.

研究の動機と目的

• 強度フロントアレイ物理学の現在の状態と今後の可能性を、素粒子物理学における未解決の問題に迫るために評価すること。
• レア崩壊、ニュートリノ振動、陽子崩壊、弱く結合する粒子の探索といった、TeVスケールの新しい物理学を解明できる主要な実験プログラムを特定すること。
• 異なる強度フロントアレイプログラム間の相乗効果を強調し、それらが新しい対称性、CP対称性の破れ、標準模型を超えた物理学をどのように共同で探査するかを示すこと。
• フラバー物理学、ニュートリノ物理学、ダークマター物理学の間のクロスディシプリン的協力を重視し、発見の可能性を最大限に高めること。
• 強度フロントアレイが、新しい物理学の探査においてエネルギーフロントアレイと宇宙フロントアレイと並んで、不可欠な補完的役割を果たすように位置づけること。

提案手法

• 複数の強度フロントアレイ物理学分野の専門家を招集した包括的ワークショップを実施し、現在の能力と今後の方向性をマップすること。
• 重いクォークの崩壊、電荷を帯びたレプトンのフラバー違反、ニュートリノ質量階層、および核子／原子核遷移の実験プログラムを分析し、それらが新しい物理学にどれほど感度を持っているかを評価すること。
• 最小フラバー違反（Minimal Flavor Violation）やレプトクォーク、あるいは軽い弱く結合する粒子のモデルといった理論的枠組みを評価し、検証可能な予測を同定すること。
• 強度フロントアレイ実験と他のフロントアレイとのつながりをマッピングする。LHCの探索とフラバー物理学の関連、地下ニュートリノ検出器と超新星観測との関連を結びつける。
• ミュオン磁気モーメントの精度測定とレア崩壊を用いて、新しい物理学モデルを制約し、今後の実験設計を導くこと。
• 原子物理学、核物理学、素粒子物理学の実験結果を統合し、高エネルギースケールにおけるCP対称性の破れと新しい対称性を探査すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 B中間子やK中間子のレア崩壊といった、フラバー物理学における精度測定は、どのようにTeVスケールの新しい物理学を明らかにできるか？
• RQ2 ニュートリノ振動実験は、ニュートリノ質量階層をどの程度解明でき、ニュートリノ質量ゼロの二重ベータ崩壊の解釈にどのように寄与できるか？
• RQ3 陽子崩壊および軽量で弱く結合する粒子の探索は、大統一理論とダークマターの記述に整合するパラメータ空間をどれほど探査できるか？
• RQ4 強度フロントアレイは、クォーク、レプトン、原子系の各分野におけるCP対称性の破れの新たな源をどのように探査するか？
• RQ5 強度フロントアレイ実験は、エネルギーフロントアレイ（例：LHC）や宇宙フロントアレイ（例：超新星ニュートリノ）とどのように連携し、新しい物理学の包括的図像を提供するか？

主な発見

• 強度フロントアレイは、TeVスケールの新しい物理学を解明するための強力で多方面への取り組みを提供しており、重いクォーク、電荷を帯びたレプトン、および核子の実験が、新しい相互作用の効果を検出できる準備ができている。
• フラバー物理学、ニュートリノ物理学、原子物理学の実験間には強い相乗効果があり、両者とも新しいCP対称性の破れ源および弱く結合する粒子に敏感である。
• ミュオン磁気モーメントの測定とレア崩壊の測定は、新しい物理学モデルを探査できるが、現在の異常な測定結果は標準模型からのずれを示唆している。
• ニュートリノ実験は、ニュートリノ質量階層を特定するのに十分な感度に達しており、ニュートリノ質量ゼロの二重ベータ崩壊の存在を検証する手がかりを提供している。
• 軽量で弱く結合する粒子（例：アキソン様粒子）は、異常なミュオンg-2を説明できる可能性があり、ダークマターおよびダークエネルギーの観測と整合的である。
• ニュートリノ振動を目的とした大規模な地下検出器は、超新星ニュートリノの爆発を検出でき、星のコアコラプスのダイナミクスを解明する上で重要な洞察を提供する。