[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出，$K_L \to \text{invisible}$衰变是新物理的敏感探针，其分支比在2HDM、轻标量和镜像暗物质等模型中可能达到$10^{-8}$至$10^{-6}$，尽管受到$K \to \pi + \text{invisible}$衰变的严格约束，仍处于实验可探测范围内。该研究显示，此衰变可探测超过100 TeV的新物理尺度，并作为稀有kaon衰变的关键搜索通道，与之形成互补。

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.

研究动机与目标

• 研究$K_L \to \text{invisible}$衰变是否可作为新物理超越标准模型的敏感探针。
• 评估在当前实验约束下（尤其是来自$K \to \pi + \text{invisible}$衰变的约束）观测此衰变的可行性。
• 识别理论模型（如两希格斯双重态模型、轻标量扩展和镜像暗物质）中$K_L \to \text{invisible}$的分支比是否具有实验可探测性。
• 确定此衰变所探测的新物理能量尺度，特别是与其它稀有kaon衰变的对比。

提出的方法

• 在两希格斯双重态模型（2HDM）背景下分析$K_L \to \text{invisible}$衰变振幅，包括类型II及其他味结构。
• 纳入轻标量态的贡献，这些态可通过与标准模型希格斯玻色子混合，介导$K_L \to \text{invisible}$跃迁。
• 纳入来自$K \to \pi + \text{invisible}$衰变的约束，该过程对kaon的隐形耦合施加了严格限制。
• 在各种新物理情景下评估结果分支比，同时考虑直接与间接约束。
• 通过将预测的分支比与实验探测能力进行比较，评估未来实验探测$K_L \to \text{invisible}$衰变的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在参数自然的两希格斯双重态模型中，$K_L \to \text{invisible}$的预测分支比是多少？
• RQ2 来自$K \to \pi + \text{invisible}$衰变的约束如何影响在新物理模型中观测$K_L \to \text{invisible}$的可行性？
• RQ3 标准模型的轻标量扩展是否能将$K_L \to \text{invisible}$分支比增强至实验可探测水平？
• RQ4 $K_L \to \text{invisible}$衰变探测到的新物理尺度是多少？与其它稀有kaon衰变相比如何？
• RQ5 在哪些新物理情景中，$K_L \to \text{invisible}$衰变相对于$K \to \pi + \text{invisible}$的增强更为显著？

主要发现

• $K_L \to \text{invisible}$衰变的分支比在若干参数自然的新物理扩展中（包括2HDM和镜像暗物质模型）可达到$10^{-8}$至$10^{-6}$。
• 即使受到$K \to \pi + \text{invisible}$衰变的严格约束，由于动力学和耦合结构的不同，$K_L \to \text{invisible}$衰变在实验中仍具有可探测性。
• 在某些情景下（如存在轻标量态时），$K \to \pi + \text{invisible}$的约束被放松，从而允许$K_L \to \text{invisible}$的分支比更大。
• $K_L \to \text{invisible}$衰变探测到的新物理尺度远超100 TeV，使其对其他稀有kaon衰变无法触及的高能标物理敏感。
• 此衰变提供了与稀有$K \to \pi + \text{invisible}$衰变互补的清晰探针，增强了对kaon领域新物理的整体探测灵敏度。