[論文レビュー] Rare K decays: Challenges and Perspectives

Christopher Smith|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、理論的クリアネスと標準模型（SM）による抑制のため、LHC時代においても、特に $K\rightarrow\pi\nu\overline{\nu}$ における希少なカイオン崩壊が新しい物理学の独自な感受性を持つ探査手段のままであると主張している。LHCによるTeVスケールでの新しい物理学の制約にもかかわらず、これらの崩壊は、自然なSUSYやR対称性破れSUSYのようなシナリオにおいて、SMからのわずかなずれを検出可能であり、直接検出に失敗する軽量で弱く結合する新しい粒子を解明するための重要な窓口を提供する。

ABSTRACT

At this stage of the LHC program, the prospect for a new physics signal in the very rare K ---> pi nu nu bar decays may be dented, but remains well alive thanks to their intrinsic qualities. First, these decays are among the cleanest observables in the quark flavor sector. When combined with their terrible suppression in the Standard Model, they thus offer uniquely sensitive probes. Second, the LHC capabilities are not ideal for all kinds of new physics, even below the TeV scale. For example, rather elusive scenarios like natural-SUSY-like hierarchical spectrum, baryon number violation, or new very light but very weakly interacting particles may well induce deviations in rare K decays. Even though experimentalists should brace themselves for tiny deviations, these modes thus have a clear role to play in the LHC era.

研究の動機と目的

• LHC以降の時代においても、希少なカイオン崩壊が新しい物理学の探査にどのように継続的に関連しているかを評価すること。
• 高精度での希少 $K$ 崩壊断面積の予測と測定における理論的および実験的課題を特定すること。
• 軽量で弱く結合する粒子を有する新しい物理学のシナリオが、LHCでの直接検出を避けながらも、希少 $K$ 崩壊にどのように現れるかを検討すること。
• 直接LHC探索や $B$-物理学と比較して、希少 $K$ 崩壊が新しい物理学に対してどのように補完的感度を示すかを示すこと。
• 標準模型を超える奇妙な新しい物理学を探査するため、希少および放射性カイオン崩壊に特化した実験プログラムの推進を提唱すること。

提案手法

• 希少 $K$ 崩壊における新しい物理学の寄与をパラメータライズするため、次元6のオペレーターを用いた有効場理論（EFT）を用いる。
• 標準模型のフレーバー構造に整合するように、新しい物理学係数を抑制するための最小フレーバー破れ（MFV）の仮定を適用する。
• LHCによる新しい粒子質量の制約と、$\Lambda_{\text{NP}}$ スケーリングによる希少 $K$ 崩壊における新しい物理学の可視性の間の相互作用を分析する。
• ハドロン行列要素とちゅうしゅう摂動理論を用いて、$K\rightarrow\pi\nu\overline{\nu}$ 崩壊断面積における理論的不確実性を評価する。
• 新しい軽量でフレーバーに依存しないボソン（例：ダークベクトルボソン）に対する、放射性崩壊（$K_{L}\rightarrow\gamma\gamma$、$K\rightarrow\pi\gamma\gamma$）の感受性を検討する。
• 特に、スケーラーが階層的であるか、非常に弱く相互作用する粒子を有するシナリオにおいて、希少 $K$ 崩壊の探査範囲が直接LHC探索とどのように比較されるかを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCの高エネルギー探査範囲にもかかわらず、なぜ希少 $K\rightarrow\pi\nu\overline{\nu}$ 崩壊が新しい物理学の唯一の感受性を持つ探査手段のままなのか？
• RQ2 ハドロン行列要素における理論的不確実性が、希少 $K$ 崩壊断面積の精度にどのように影響するか？
• RQ3 自然なSUSYやR対称性破れSUSYのような新しい物理学のシナリオが、直接LHC検出を避けながらも、希少 $K$ 崩壊に測定可能なずれを引き起こすことができるか？
• RQ4 放射性カイオン崩壊（例：$K_{L}\rightarrow\gamma\gamma$ や $K\rightarrow\pi\gamma\gamma$）は、ダークベクトルボソンのような新しい軽量で弱く相互作用する粒子に対してどの程度感受性を示すか？
• RQ5 $B$-物理学や $K-\overline{K}$ 混合からの制約は、希少 $K$ 崩壊による新しい物理学スケールの探査と比較して、どのように異なるか？

主な発見

• 希少 $K\rightarrow\pi\nu\overline{\nu}$ 崩壊は、理論的にクリアで標準模型による抑制が著しく高いことから、わずかなずれを検出するのに理想的なため、依然として新しい物理学の独自な感受性を持つ。
• SMと整合する $K\rightarrow\pi\nu\overline{\nu}$ の測定結果が得られれば、$\Lambda_{\text{NP}} \gtrsim 100$ TeV であることが示され、このような新しい物理学はLHCでは到達不可能であることを示唆する。
• 自然なSUSYに類似したシナリオでは、軽量のストップクォークが $K\rightarrow\pi\nu\overline{\nu}$ に顕著なずれを引き起こす可能性があるが、第一および第二世代のスクォークが重い場合、LHCの制約と整合的である。
• R対称性破れSUSYは、フレーバー変換を伴う中性荷電現在（FCNC）を通じて、直接検出が不可能なほど重い新しい粒子であっても、希少 $K$ 崩壊に観測可能な効果をもたらす可能性がある。
• 放射性崩壊（例：$K_{L}\rightarrow\gamma\gamma$、$K\rightarrow\pi\gamma\gamma$）は、結合定数が $10^{-4}$ 未満の新しい軽量でフレーバーに依存しないベクトルボソンを、数10〜数100 MeVの質量範囲で、他の観測量を上回る感受性で探査可能である。
• 半レプトン的 $K_{\ell 3}$ 崩壊および放射モードの高精度測定を通じて、希少 $K$ 崩壊の断面積予測におけるハドロン不確実性を理論的に改善できる。これらの測定は、$K\rightarrow\pi\nu\overline{\nu}$ の断面積予測の主要な入力となる。