[論文レビュー] Planning the Future of U.S. Particle Physics (Snowmass 2013): Chapter 2: Intensity Frontier

J.L. Hewett, H. Weerts+18 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、強度のフロンティアを通じて素粒子物理学を前進させる包括的な米国戦略を提示し、標準模型を超える新しい物理を探索するため、正確な測定と希少過程に焦点を当てる。高強度ビームと超高感度検出器を活用することで、ニュートリノ物理学、バリオン数の破れ、レプトンおよびクォークのフラバー物理学、および弱く結合する軽い粒子に関する変革的実験を提案し、米国が新しい現象を発見する分野で世界的なリーダーとなる位置を確立する。

ABSTRACT

These reports present the results of the 2013 Community Summer Study of the APS Division of Particles and Fields ("Snowmass 2013") on the future program of particle physics in the U.S. Chapter 2, on the Intensity Frontier, discusses the program of research with high-intensity beams and rare processes. This area includes experiments on neutrinos, proton decay, charged-lepton and quark weak interactions, atomic and nuclear probes of fundamental symmetries, and searches for new, light, weakly-interacting particles.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理を探索できる、高インパクトな実験プログラムを特定・優先順位付けすること。
• 物質と反物質の非対称性、ダークマターの性質、ニュートリノ質量の起源といった未解決の問いに応えること。
• 国内および海外の両方の実験を支援することで、米国が国際的な素粒子物理学においてリーダーシップを維持できること。
• クォークフラバー物理学および格子QCDにおける理論的・実験的協力を強化し、発見の可能性を最大化すること。
• 長期的な実験プログラム、特にProject Xおよび将来の希少崩壊実験のための持続的資金およびインfra構築支援を提唱すること。

提案手法

• ニュートリノ、ミューオン、電子、ハドロンの高強度ビームを用いて、希少過程や標準模型予測からの微小なずれを調べること。
• 大規模な地下検出器を導入し、ニュートリノ振動、陽子崩壊、および特異な核崩壊を高感度で研究すること。
• レプトンおよびクォークのフラバー破れおよびフラバー保存過程、例えばμ→eγやK+→π+νν̄の精密測定を実施すること。
• 高度な検出器技術と低バックグラウンド環境を活用し、電気双極子モーメントおよび希少カリオン崩壊への感受性を高めること。
• 既存施設および低コストの実験セットアップを用いて、アキソン、ダークフォトン、シャメレオンなどの新しい軽い弱く結合する粒子を探索すること。
• 格子QCDや有効場理論などの理論枠組みを統合し、実験結果の解釈と将来の探索を導くこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ質量階層は何か？また、レプトン混合行列におけるCP破れ位相の値は何か？
• RQ2 陽子崩壊や中性子-反中性子振動が観測可能か？それらはグランドユニフィケーションおよびバリオン数の破れをどのように明らかにするか？
• RQ3 電荷を帯びたレプトンのフラバー破れの性質は何か？μ→eγやμ→e変換といった過程が検出可能か？それらは新しい物理を明らかにするか？
• RQ4 BおよびD崩壊のような希少クォークフラバー遷移は、標準模型の予測からどれほどずれているか？それらは新しい物理に何を示唆するか？
• RQ5 電子、中性子、または原子核の電気双極子モーメントを十分な精度で測定できるか？それらは宇宙における物質-反物質非対称性を説明する新しいCP破れ源を制約できるか？

主な発見

• 強度のフロンティアは、LHCがアクセス可能なエネルギースケールよりもはるかに高いスケールで新しい現象を探索できる強力な、多方面にわたる手法を提供する。
• フェルミラブの予想されるORKA実験は、希少崩壊K+→π+νν̄の測定において、前例のない高精度を達成でき、新しい物理モデルの厳密なテストが可能になる。
• Project Xは、希少カリオン崩壊実験のための変革的施設として特定され、超高強度で調整可能なビームを提供し、世界最高の感受性を実現する。
• 電気双極子モーメントの高精度測定は、宇宙における物質-反物質非対称性を説明する理論が予測する感受性レベルに達する可能性がある。
• アキソン、ダークフォトン、その他の弱く結合する粒子を探索する実験は、低コストで高い発見可能性を有し、豊富な実験プログラムを提供する。
• 米国が強度のフロンティアでリーダーシップを発揮するには、国内実験への継続的支援と、特にLHCbおよびBelle IIでの強い国際的協力が不可欠である。