[論文レビュー] New Physics in $s o u\ell^-\barν$: Interplay between semileptonic kaon and hyperon decays

Martín González‐Alonso, Jorge Martin Camalich|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、半レプトン的中間子、パイオニオン、ハイパーヨン崩壊を用いて $s \to u\ell^-\bar{\nu}$ 遷移における新しい物理を探索する、モデルに依存しない有効場理論フレームワークを提示する。SMEFTにおいて低エネルギー崩壊と加速器の制約を組み合わせることで、これらの過程が数TeVに達する新しい物理スケールを探索できることを示し、特に重く弱く結合する媒介粒子に対して、LHC探索と顕著な補完的関係にあることを明らかにする。

ABSTRACT

We review a novel model-independent approach to the analysis of new-physics effects in the $s o u\ell^-\barν$ transitions. We apply it to (semi)leptonic kaon decays and study their complementarity with pion and hyperon $β$ decays or with collider searches of new physics.

研究の動機と目的

• モデルに依存しない有効場理論的手法を用いて、$s \to u\ell^-\bar{\nu}$ 遷移における新しい物理を包括的に探査するためのフレームワークを構築すること。
• $K_{\ell 3}$ および $\pi_{\ell 2}$ 崩壊に依存するのみで新しい物理効果を解明するという限界を克服すること。
• 核・中性子・ハイパーヨン $\beta$ 崩壊を用いて、新しい物理オペレーターのデゲネラシーを解消するための重要なプローブを統合すること。
• 低エネルギーの希少崩壊とLHCでのコライダー探索との間の補完的関係を確立すること。
• 現在の実験的データおよび lattice QCD データを統合した、標準模型の検証と新しい物理スケールの制約を統一的に提供するフレームワークを構築すること。

提案手法

• $s \to u\ell^-\bar{\nu}$ 遷移に対して、ベクトル、スカラー、テンソル、右巻きカレントを含む18個の独立したウィルソン係数を持つ低エネルギー有効ラグランジアンを構築すること。
• SMEFTへのマッチングを用いて、低エネルギーでのウィルソン係数を高エネルギー物理と関連づけ、加速器の制約と比較可能にする。
• 有効場理論フレームワークを $K_{\ell 3}$、$\pi_{\ell 2}$、およびハイパーヨン $\beta$ 崩壊に適用し、lattice QCDの形因子と理論的補正を組み込む。
• 理論的不確実性を最小限に抑えるために、$R_P = \Gamma_{P_{e2}}/\Gamma_{P_{\mu 2}}$ や $R_\mu = \Gamma_{K_{\mu 2}}/\Gamma_{\pi_{\mu 2}}$ といった比を導出すること。
• LHCにおける $pp \to \ell^\pm + \text{MET} + X$ における横方向質量分布を用いて、スカラーおよびテンソル型の新しい物理オペレーターを制約すること。
• 現在のデータ（$K_{\ell 3}$、$\pi_{\ell 2}$、ハイパーヨン崩壊比）を統合したグローバルフィットを実行し、新しい物理スケールの制約を抽出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $K_{\ell 3}$ および $\pi_{\ell 2}$ 崩壊のみを用いて、モデルに依存しないEFTフレームワークが $s \to u\ell^-\bar{\nu}$ 遷移における異なる種類の新しい物理を区別できるか？
• RQ2 ハイパーヨン $\beta$ 崩壊は、$s \to u\ell^-\bar{\nu}$ における非ユニバーサルまたは非ベクトル型の新しい物理に対して、どの程度感度を向上させるか？
• RQ3 低エネルギー崩壊からの制約と、SMEFTにおけるLHC $pp \to \ell^\pm + \text{MET} + X$ 探索からの制約は、どのように比較できるか？
• RQ4 $K_{\ell 3}$ および $\pi_{\ell 2}$ 崩壊は、TeVスケールを超える新しい物理スケールに対してどの程度感度を持つのか？
• RQ5 低エネルギーデータとコライダーデータの組み合わせにより、単独では到達できない新しい物理のシナリオを探索できるか？

主な発見

• $K_{\ell 3}$、$\pi_{\ell 2}$、およびハイパーヨン $\beta$ 崩壊の組み合わせにより、$s \to u\ell^-\bar{\nu}$ 遷移における新しい物理を、数TeVに達するスケールで包括的に探査できる。
• ハイパーヨン $\beta$ 崩壊は、特にスカラーおよびテンソル相互作用において、異なる新しい物理オペレーター間のデゲネラシーを解消するために不可欠である。
• $K_{\ell 3}$ および $\pi_{\ell 2}$ 崩壊の1$\sigma$ 範囲に加え、核 $\beta$ 崩壊データを統合することで、$|\tilde{V}_{us}^{e}|$ および $|\bar{V}_{ud}^{e}|$ に対するきつい制約が得られ、CKMユニタリティと整合的である。
• 8 TeVでのLHCにおける $pp \to \ell^\pm + \text{MET} + X$ チャネルの探索は、$\epsilon_S^{s\mu}$ および $\epsilon_T^{s\mu}$ に対して競争力のある制約を提供し、90%信頼区間の上限は $K_{\ell 3}$ 崩壊の結果と同等である。
• ハイパーヨン崩壊において理論的および実験的誤差が1%であるという架空のシナリオを想定した場合、予想される感度は現在のLHCおよび $K_{\ell 3}$ の制約を上回る可能性があり、その潜在的価値を示している。
• 特定のオペレーターに対しては、新しい物理の有効スケールが $\Lambda \gtrsim 100$ TeV に制限され、重い媒介粒子を探索する低エネルギー崩壊の探査能力の高さが示された。