[논문 리뷰] Charming ALPs

Adrián Carmona, Christiane Scherb외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 19.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 60인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 QCD 유사 어둠료 세분 또는 Froggatt-Nielsen 색조리 모델과 같은 UV 완전 모델에서 유도되는, 나무 수준에서 오직 업 타입 쿼크와 결합하는 악션 유사 입자(ALPs)를 조사한다. 저에너지 효과적 이론을 사용하여, 기존의 천체물리학적 및 천체론적 제약 조건으로부터 미처 탐색되지 않은 넓은 매개변수 공간 영역을 특정할 수 있으며, 이는 향후 고정 표적 실험과 LHC 실험에서 접근 가능하다. 또한 향후 $D \to \pi^+ \text{비가시성}$ 붕괴 측정이 이러한 모델에 대한 핵심 보완 감도를 제공할 수 있다.

ABSTRACT

Axion-like particles (ALPs) are ubiquitous in models of new physics explaining some of the most pressing puzzles of the Standard Model. However, until relatively recently, little attention has been paid to its interplay with flavour. In this work, we study in detail the phenomenology of ALPs that exclusively interact with up-type quarks at the tree-level, which arise in some well-motivated ultra-violet completions such as QCD-like dark sectors or Froggatt-Nielsen type models of flavour. Our study is performed in the low-energy effective theory to highlight the key features of these scenarios in a model independent way. We derive all the existing constraints on these models and demonstrate how upcoming experiments at fixed-target facilities and the LHC can probe a vast region of the parameter space, which is currently not excluded by cosmological and astrophysical bounds. We also emphasize how a future measurement of the currently unavailable meson decay $D o \pi + m{invisible}$ could complement these upcoming searches and help to probe a large unexplored region of their parameter space.

연구 동기 및 목표

• 나무 수준에서 오직 업 타입 쿼크와만 결합하는 악션 유사 입자(ALPs)의 현상론을 모델에 종속되지 않은 방식으로 연구하기 위해.
• 현재 천체론적 및 천체물리적 제약 조건으로부터 미해결된, 이러한 ALPs의 타당한 매개변수 공간을 규명하고 맵핑하기 위해.
• 향후 고정 표적 실험과 LHC가 이러한 매개변수 공간의 넓은 영역을 탐색할 잠재력을 입증하기 위해.
• 이러한 ALP 모델을 탐색하기 위한 보완적 수단으로서 $D \to \pi^+ \text{비가시성}$ 붕괴 측정의 중요성을 부각하기 위해.

제안 방법

• 특정 UV 완전 모델에 종속되지 않는, 업 타입 쿼크와의 ALP 상호작용을 기술하는 저에너지 효과적 장 이론을 수립하기 위해.
• 모델 매개변수에 대한 기존 실험적, 천체론적, 천체물리적 제약 조건을 유도하기 위해.
• 허용 영역과 배제 영역을 맵핑하기 위한 종합적인 현상론적 분석을 수행하기 위해.
• 이러한 ALPs에 대한 향후 고정 표적 실험과 LHC의 발견 잠재력을 평가하기 위해.
• 이 모델에 대한 탐색 감도로서 $D \to \pi^+ \text{비가시성}$ 붕괴의 중요성을 평가하기 위해.
• 모델에 종속되지 않는 효과적 장 이론 기법을 사용하여 다양한 UV 유도 모델에 일반적으로 적용 가능하도록 보장하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모델에 종속되지 않는 효과적 장 이론 프레임워크에서 오직 업 타입 쿼크와만 결합하는 ALPs의 핵심 현상론적 특징은 무엇인가요?
• RQ2 현재 천체론적 및 천체물리적 제약 조건으로부터 아직 제약을 받지 않는 ALP 매개변수 공간의 영역은 어디인가요?
• RQ3 향후 고정 표적 실험과 LHC는 어떻게 기존에 탐색되지 않은 이 매개변수 공간의 영역을 탐색할 수 있나요?
• RQ4 $D \to \pi^+ \text{비가시성}$ 붕괴는 아직 탐색되지 않은 매개변수 공간의 나머지 부분을 탐색하는 데 어떤 역할을 하나요?
• RQ5 QCD 유사 어둠료 세분 또는 Froggatt-Nielsen 색조리 모델과 같은 UV 유도 모델은 이러한 ALP 결합을 어떻게 실현합니까?

주요 결과

• 특히 업 타입 쿼크와의 결합이 있는 경량 ALPs의 경우, 현재의 천체론적 및 천체물리적 제약 조건으로부터 제외되지 않은 매개변수 공간의 광범위한 영역이 존재한다.
• 향후 고정 표적 실험과 LHC는 특히 케이온 임계값 이하의 ALP 질량 영역에서, 이전에 접근 불가능했던 넓은 영역의 매개변수 공간을 탐색할 수 있다.
• 측정이 이루어진다면, 희귀 붕괴 $D \to \pi^+ \text{비가시성}$은 이러한 유형의 ALP 모델에 대한 강력한 보완 탐색 수단이 될 것이다.
• 모델에 종속되지 않는 효과적 장 이론 접근법을 통해, 현상론은 업 타입 쿼크와의 결합에 의해 지배되며, 다른 페르미온의 영향은 최소한도로 제한됨을 드러냈다.
• 희귀 케이온 및 페론 붕괴에서의 제약 조건은 이전에 상정된 것보다 더 엄격하지 않으며, 새로운 물리 신호가 존재할 여유가 남아 있음이 밝혀졌다.
• 향후 실험이 높은 감도를 확보할 것으로 기대되는 매개변수 공간의 특정 벤치마크 포인트를 규명하였다.