[論文レビュー] The $K_L o invisible$ decay as a probe of new physics

S. Gninenko, Nikolai Krasnikov|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、$K_L \to \text{非可視}$崩壊が標準模型を超える新しい物理を感受する感度の高いプローブであると提唱している。2HDM、軽いスカラー、ミラーダークマターなどのモデルでは、Brが$10^{-8}$から$10^{-6}$に達する可能性があり、$K \to \pi + \text{非可視}$崩壊からの厳密な制約にもかかわらず、実験的に到達可能である。研究では、この崩壊が100 TeVを超える新しい物理スケールを探査でき、他のレアなカイオン崩壊と併せて重要な探索チャネルであると示している。

ABSTRACT

The decay $K_L \ o invisible$ has never been experimentally tested. In the Standard Model (SM) its branching ratio is predicted to be $Br(K_L \ o \ u \\bar{\ u}) \\lesssim 10^{-10}$. We consider several natural extensions of the SM, such as two-Higgs-doublet (2HDM), 2HDM and light scalar, and mirror dark matter models, and show that taking into account the most stringent constraints from the $K \ o \\pi +invisible$ decay, this process could be in the region of $Br(K_L \ o invisible) \\simeq 10^{-8}-10^{-6}$, which is experimentally accessible. In some scenarios the $K$ decay constraints may be relaxed. The results obtained show that the $K_L\ o invisible$ decay is a clean probe of new physics scales well above 100 TeV, that is complementary to rare $K \ o \\pi +invisible$ decay, and provide a strong motivation for its sensitive search in a near future experiment.

研究の動機と目的

• カイオンの$K_L \to \text{非可視}$崩壊が、標準模型を超える新しい物理を感受する感度の高いプローブとして機能するかどうかを調査すること。
• 特に$K \to \pi + \text{非可視}$崩壊からの実験的制約を考慮した上で、この崩壊を観測することが現実に可能かどうかを評価すること。
• 2ヒッグスダブルレットモデル、軽いスカラー拡張、ミラーダークマターなど、$K_L \to \text{非可視}$崩壊のBrが実験的に到達可能な水準に達する理論的モデルを特定すること。
• この崩壊が探査する新しい物理のエネルギースケールを特定し、他のレアなカイオン崩壊と比較すること。

提案手法

• 自然なパrameterを持つ2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）の文脈で、$K_L \to \text{非可視}$崩壊の振幅を分析し、タイプIIおよび他のフレーバー構造を含む。
• 標準模型のヒッグスと混合する軽いスカラー状態が、$K_L \to \text{非可視}$遷移を媒介する寄与を含める。
• $K \to \pi + \text{非可視}$崩壊からの制約を組み込み、カイオンの非可視カップリングに対して厳密な制限を設ける。
• 直接的および間接的制約を考慮した上で、さまざまな新しい物理のシナリオにおける崩壊Brを評価する。
• 予測されたBrと実験的到達限界を比較することで、将来の実験が$K_L \to \text{非可視}$崩壊を検出できる感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自然なパrameterを持つ2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）において、$K_L \to \text{非可視}$崩壊の予測Brはどの程度か？
• RQ2 $K \to \pi + \text{非可視}$崩壊からの制約は、新しい物理モデルにおける$K_L \to \text{非可視}$崩壊の観測可能性にどのように影響するか？
• RQ3 標準模型の軽いスカラー拡張は、$K_L \to \text{非可視}$崩壊Brを実験的に到達可能な水準まで高めうるか？
• RQ4 $K_L \to \text{非可視}$崩壊が探査する新しい物理スケールはどの程度で、他のレアなカイオン崩壊と比べてどうか？
• RQ5 どの新しい物理のシナリオにおいて、$K_L \to \text{非可視}$崩壊が$K \to \pi + \text{非可視}$崩壊に対してより強く増幅されるか？

主な発見

• 2HDMやミラーダークマター・モデルを含む、いくつかの自然な標準模型拡張において、$K_L \to \text{非可視}$崩壊Brは$10^{-8}$から$10^{-6}$に達する可能性がある。
• $K \to \pi + \text{非可視}$崩壊からの厳しい制約にもかかわらず、運動学的およびカップリング構造の違いのおかげで、$K_L \to \text{非可視}$崩壊は実験的に到達可能である。
• 軽いスカラー状態を含む一部のシナリオでは、$K \to \pi + \text{非可視}$崩壊の制約が緩和され、$K_L \to \text{非可視}$崩壊のBrがより大きくなる余地がある。
• $K_L \to \text{非可視}$崩壊は100 TeVを超える新しい物理スケールを探査でき、他のレアなカイオン崩壊では到達できない高エネルギー物理に感受可能である。
• この崩壊は、他のレアな$K \to \pi + \text{非可視}$崩壊とは対照的に、クリアで補完的なプローブを提供し、カイオン系における新しい物理の全体的な感受性を高める。