[논문 리뷰] Invisible decays of neutral hadrons

Wanpeng Tan|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 17.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 $K^0_L$, $K^0_S$, $\Lambda^0$, $\Xi^0$와 같은 장수 중성하드론의 보이지 않는 붕괴가 새로 개발된 거울 물질 모형 내에서 일반 입자와 거울 입자의 진동으로 인해 발생한다고 제안한다. $CP$ 위반과 거울 대칭성 깨짐의 척도를 동일시함으로써, 이 모형은 $K^0_L$에 대해 $9.9\times10^{-6}$, $K^0_S$에 대해 $1.8\times10^{-6}$, $\Lambda^0$에 대해 $4.4\times10^{-7}$, $\Xi^0$에 대해 $3.6\times10^{-8}$의 정밀한 분해율을 예측하며, 이는 기존의 가속기에서 검출 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 장수 중성하드론인 $K^0_L$, $K^0_S$, $\Lambda^0$, $\Xi^0$에서의 보이지 않는 붕괴에 대한 실험적 탐색이 부족한 데 비해, 이들이 새로운 물리학을 드러낼 잠재력을 지닌다는데 초점을 맞춘다.
• 자발적 거울 대칭성 깨짐을 수반하는 거울 물질 모형이 경량 하드론에서 큰 보이지 않는 붕괴율을 설명할 수 있는지 탐색한다.
• CP 위반과 거울 대칭성 깨짐의 척도를 동일시하여 보이지 않는 붕괴 분해율에 대한 정밀한 예측을 도출한다.
• 우주론적 제약 조건과 기존 실험적 한계와의 비교를 통해 이러한 예측의 타당성을 검증한다.
• 기존 및 계획 중인 시설에서 검출 가능한 신호 수준을 보여줌으로써 향후 실험적 탐색을 유도한다.

제안 방법

• 일반 입자와 거울 입자가 거울 대칭성이 자발적으로 깨지기 전까지는 중력적 상호작용 외에는 상호작용이 없는 거울 물질 모형을 채택한다.
• 중성미자 시스템에서 관측된 $CP$ 위반 현상을 바탕으로 거울 대칭성 깨짐 척도를 제약 조건으로 설정하며, $CP$ 위반과 거울 대칭성 깨짐 척도가 동일하다는 가정을 한다.
• 진동 상태의 확률을 기술하기 위해 진동 공식 $P(t) = \sin^2(2\theta) \sin^2(\frac{1}{2}\Delta t)$ 를 사용하며, 여기서 $\theta$는 혼합 각도이고 $\Delta$는 질량 차이다.
• 기존의 $K^0$-$K^{0'}$ 진동 매개변수와 알려진 $CP$ 위반 매개변수 $\epsilon_K$를 사용하여 혼합 강도 $\sin^2(2\theta)$를 유도한다.
• 진동 확률과 하드론의 수명을 기반으로 보이지 않는 붕괴 분해율을 계산하며, 표준 붕괴보다 진동이 지배적이라고 가정한다.
• 예측 결과를 우주론적 제약 조건과 비교하고, 다른 붕괴 모드(예: $\bar{\nu}\nu$, $\bar{\nu}\nu\bar{\nu}\nu$)에 대한 실험적 한계와도 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 거울 물질 모형이 $K^0_L$ 및 $\Lambda^0$와 같은 장수 중성하드론에 대해 큰, 검출 가능한 보이지 않는 붕괴 분해율을 예측할 수 있는가?
• RQ2 중성미자 시스템에서의 $CP$ 위반과 거울 물질 모형 내 거울 대칭성 깨짐 사이의 정량적 연관성은 무엇인가?
• RQ3 예측된 $K^0_L$, $K^0_S$, $\Lambda^0$, $\Xi^0$의 보이지 않는 붕괴율이 우주론적 제약 조건을 충족하고 기존 시설에서 검출 가능한 범위 내에 있는가?
• RQ4 우주 비균일성과 개선된 다크 에너지 추정치는 거울 물질 모형의 매개변수와 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 특히 $D^0$ 및 $B^0$ 시스템에서, 보편적인 상대 질량 차이 척도 가정이 다양한 하드론 시스템에 걸쳐 얼마나 타당한가?

주요 결과

• 거울 물질 모형은 $K^0_L$에 대해 $9.9 \times 10^{-6}$의 보이지 않는 붕괴 분해율을 예측하며, 이는 $K^0$-$K^{0'}$ 진동에서 기인한다.
• $K^0_S$의 경우 보이지 않는 붕괴 분해율이 $1.8 \times 10^{-6}$로 예측되며, 이는 표준 모형 붕괴보다 크게 높다.
• $\Lambda^0$ 비온은 보이지 않는 붕괴 분해율이 $4.4 \times 10^{-7}$로 예측되어 검출에 유리한 대상으로 여겨진다.
• $\Xi^0$ 하이퍼온은 보이지 않는 붕괴 분해율이 $3.6 \times 10^{-8}$로 예측되며, 이는 모형의 척도 법칙과 일치한다.
• 우주 비균일성 데이터는 $n$-$n'$ 혼합 강도를 $\sin^2(2\theta_{nn'}) = 1.6 \times 10^{-5}$로 약간 수정하지만, 여전히 실험적 한계 내에 있다.
• 개선된 우주론적 매개변수 하에서 모형은 $B_{\text{inv}}(\Xi^0) \simeq 2.8 \times 10^{-8}$, $B_{\text{inv}}(D^0) \simeq 1.1 \times 10^{-10}$, $B_{\text{inv}}(B^0) \simeq 2.7 \times 10^{-10}$을 예측한다.