[논문 리뷰] The $K_L o invisible$ decay as a probe of new physics

S. Gninenko, Nikolai Krasnikov|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 $K_L \to \text{비가시성}$ 붕괴가 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 민감한 탐지 수단이 될 수 있으며, 2HDM, 경량 스칼라, 미러 어둠성 물질 등의 모델에서 브랜치 비율이 $10^{-8}$에서 $10^{-6}$에 이르게 될 수 있어, $K \to \pi + \text{비가시성}$ 붕괴로부터의 엄격한 제약에도 불구하고 실험적으로 접근 가능하다는 것을 제안한다. 이 연구는 이러한 붕괴가 100 테바전자볼트 이상의 새로운 물리학 스케일을 탐지할 수 있음을 보여주며, 희귀 케이온 붕괴와 함께 핵심 탐색 채널로 기능한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 민감한 탐지 수단으로서 $K_L \to \text{비가시성}$ 붕괴가 기능할 수 있는지 조사하기 위해.
• 특히 $K \to \pi + \text{비가시성}$ 붕괴로부터의 현재 실험 제약 조건을 고려할 때, 이 붕괴를 관측하는 것이 가능한지 평가하기 위해.
• 이중 힉스 두중체 모델, 경량 스칼라 확장, 미러 어둠성 물질 등과 같은 이론적 모델에서 $K_L \to \text{비가시성}$ 붕괴의 브랜치 비율이 실험적으로 접근 가능한 수준이 될 수 있는지 규명하기 위해.
• 이 붕괴가 탐지하는 새로운 물리학의 에너지 스케일을 특정하고, 다른 희귀 케이온 붕괴와의 비교를 통해 그 의미를 규명하기 위해.

제안 방법

• 이중 힉스 두중체 모델(2HDM)의 맥락에서 $K_L \to \text{비가시성}$ 붕괴 진폭을 분석하며, 타입 II 및 기타 플레이버 구조를 포함한다.
• 표준모형 힉스와의 혼합을 통해 $K_L \to \text{비가시성}$ 전이를 매개할 수 있는 경량 스칼라 상태의 기여를 포함한다.
• $K \to \pi + \text{비가시성}$ 붕괴로부터 온 엄격한 제약 조건을 반영하여, 케이온의 비가시성 결합에 대한 제약를 포함한다.
• 직접 및 간접 제약 조건을 모두 고려하여 다양한 새로운 물리학 시나리오에서의 최종 브랜치 비율을 평가한다.
• 예측된 브랜치 비율과 실험적 탐지 능력 간의 비교를 통해 향후 실험의 감도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자연스러운 매개변수를 가진 이중 힉스 두중체 모델에서 $K_L \to \text{비가시성}$ 붕괴의 예측 브랜치 비율은 얼마인가?
• RQ2 $K \to \pi + \text{비가시성}$ 붕괴로부터 온 제약 조건이 새로운 물리학 모델에서 $K_L \to \text{비가시성}$ 붕괴를 관측하는 데 영향을 미치는 방식은 무엇인가?
• RQ3 표준모형의 경량 스칼라 확장이 $K_L \to \text{비가시성}$ 붕괴의 브랜치 비율을 실험적으로 관측 가능한 수준으로 높일 수 있는가?
• RQ4 $K_L \to \text{비가시성}$ 붕괴는 어떤 새로운 물리학 스케일을 탐지하는가? 다른 희귀 케이온 붕괴와 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ5 어떤 새로운 물리학 시나리오에서 $K_L \to \text{비가시성}$ 붕괴는 $K \to \pi + \text{비가시성}$ 붕괴보다 더 강하게 증폭되는가?

주요 결과

• 2HDM 및 미러 어둠성 물질 모델을 포함한 여러 자연스러운 표준모형 확장에서 $K_L \to \text{비가시성}$ 붕괴의 브랜치 비율은 $10^{-8}$에서 $10^{-6}$ 수준에 이르게 된다.
• 조금 더 엄격한 제약 조건이 존재하더라도, $K \to \pi + \text{비가시성}$ 붕괴와는 다른 운동역학적 및 결합 구조 덕분에 $K_L \to \text{비가시성}$ 붕괴는 실험적으로 접근 가능하다.
• 경량 스칼라 상태가 있는 일부 시나리오에서는 $K \to \pi + \text{비가시성}$ 붕괴로부터의 제약 조건이 완화되어 $K_L \to \text{비가시성}$ 붕괴의 브랜치 비율이 더 크게 될 수 있다.
• $K_L \to \text{비가시성}$ 붕괴는 100 테바전자볼트를 훨씬 초월하는 새로운 물리학 스케일을 탐지할 수 있으며, 다른 희귀 케이온 붕괴로는 접근할 수 없는 고에너지 스케일의 물리학에 민감하다.
• 이 붕괴는 희귀 $K \to \pi + \text{비가시성}$ 붕괴와 함께 깔끔하고 보완적인 탐지 수단을 제공하여 케이온 부문의 새로운 물리학에 대한 전체 감도를 높인다.