[論文レビュー] Invisible decays of neutral hadrons

Wanpeng Tan|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2020

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、新しく開発されたミラーマター模型において、通常の粒子とミラーパarticleの遷移によって生じる長寿命中性ハドロン（$K^0_L$, $K^0_S$, $\Lambda^0$, $\Xi^0$ など）の見えない崩壊が生じることを提案する。$CP$違反とミラーサイミメトリーブレイキングのスケールを等置することで、$K^0_L$ に対して $9.9\times10^{-6}$、$K^0_S$ に対して $1.8\times10^{-6}$、$\Lambda^0$ に対して $4.4\times10^{-7}$、$\Xi^0$ に対して $3.6\times10^{-8}$ の正確な分岐比を予測し、これらは既存の加速器で検出可能である。

ABSTRACT

Invisible decays of neutral hadrons are evaluated as ordinary-mirror particle oscillations using the newly developed mirror matter model. Assuming equivalence of the $CP$ violation and mirror symmetry breaking scales for neutral kaon oscillations, rather precise values of the mirror matter model parameters are predicted for such ordinary-mirror particle oscillations. Not only do these parameter values satisfy the cosmological constraints, but they can also be used to precisely determine the oscillation or invisible decay rates of neutral hadrons. In particular, invisible decay branching fractions for relatively long-lived hadrons such as $K^0_L$, $K^0_S$, $Λ^0$, and $Ξ^0$ due to such oscillations are calculated to be $9.9 imes 10^{-6}$, $1.8 imes 10^{-6}$, $4.4 imes 10^{-7}$, and $3.6 imes 10^{-8}$, respectively. These significant invisible decays are readily detectable at existing accelerator facilities.

研究の動機と目的

• 長寿命中性ハドロン（$K^0_L$, $K^0_S$, $\Lambda^0$, $\Xi^0$ など）における見えない崩壊の実験的探索が不足しているにもかかわらず、それらが新しい物理学を明らかにする可能性を有することを踏まえ、その問題を解決すること。
• 自発的ミラーサイミメトリーの破れを伴うミラーマター模型が、軽いハドロンにおける大きな見えない崩壊断面積を説明できるかを検討すること。
• CP違反とミラーサイミメトリー破れのスケールを等置することで、見えない崩壊分岐比を正確に予測すること。
• 宇宙論的制約と既存の実験的限界とを比較して、これらの予測の妥当性を検証すること。
• 既存施設および計画中の施設で検出可能な信号レベルであることを示して、今後の実験的探索を促すこと。

提案手法

• 通常粒子とミラーパarticleの間の相互作用を明示的に含まず、ミラーサイミメトリーが自発的に破れるまで、両者の間の相互作用は重力的であると仮定するミラーマター模型を採用する。
• 中性中間子系における観測された$CP$違反を、ミラーサイミメトリー破れスケールを制約するために用い、$CP$違反とミラーサイミメトリー破れスケールが等価であると仮定する。
• 真空遷移の公式 $P(t) = \sin^2(2\theta) \sin^2(\frac{1}{2}\Delta t)$ を用いて、通常粒子とミラーハドロンの間の遷移をモデル化し、$\theta$ を混合角、$\Delta$ を質量差と定義する。
• 既知の$CP$違反パラメータ $\epsilon_K$ を用いて、$K^0$-$K^{0'}$ 遷移パラメータから混合強度 $\sin^2(2\theta)$ を導出する。
• 遷移確率とハドロンの寿命を用いて、見えない崩壊分岐比を計算する。この際、標準的崩壊よりも遷移が支配的であると仮定する。
• 予測の妥当性を確認するため、宇宙論的制約と他の崩壊モード（例：$\bar{\nu}\nu$、$\bar{\nu}\nu\bar{\nu}\nu$）に対する実験的限界と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミラーマター模型は、$K^0_L$ や $\Lambda^0$ のような長寿命中性ハドロンに対して、大きな検出可能な見えない崩壊分岐比を予測できるか？
• RQ2 中性中間子系における$CP$違反とミラーマター模型におけるミラーサイミメトリー破れとの間の定量的関係は何か？
• RQ3 $K^0_L$, $K^0_S$, $\Lambda^0$, $\Xi^0$ に対する予測された見えない崩壊率が、宇宙論的制約を満たし、かつ既存施設で検出可能な範囲に収まるか？
• RQ4 宇宙の非均一性と改訂されたダークエネルギー推定値は、ミラーマター模型のパラメータと予測にどのように影響を与えるか？
• RQ5 特に $D^0$ と $B^0$ のような異なるハドロン系において、相対的質量差スケールが普遍的であるという仮定はどの程度妥当か？

主な発見

• ミラーマター模型は、$K^0_L$ に対して $9.9 \times 10^{-6}$ の見えない崩壊分岐比を予測し、これは $K^0$-$K^{0'}$ 遷移に起因する。
• $K^0_S$ については、$1.8 \times 10^{-6}$ の見えない崩壊分岐比が予測され、これは標準模型の崩壊と比べて顕著に大きい。
• $\Lambda^0$ バリオンは、$4.4 \times 10^{-7}$ の見えない崩壊分岐比を予測され、検出のための有望なターゲットとなる。
• $\Xi^0$ ヒッグス粒子は、$3.6 \times 10^{-8}$ の分岐比で見えない崩壊すると予測され、モデルのスケーリング行動と整合的である。
• 宇宙の非均一性データは、$n$-$n'$ 混合強度を $\sin^2(2\theta_{nn'}) = 1.6 \times 10^{-5}$ にわずかに修正するが、これは実験的限界内に収まる。
• 改訂された宇宙論的パラメータのもとで、モデルは $B_{\text{inv}}(\Xi^0) \simeq 2.8 \times 10^{-8}$、$B_{\text{inv}}(D^0) \simeq 1.1 \times 10^{-10}$、$B_{\text{inv}}(B^0) \simeq 2.7 \times 10^{-10}$ を予測する。