[论文解读] Invisible decays of neutral hadrons

Wanpeng Tan|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2020

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 4

一句话总结

本文提出，长寿命中性强子（如 $K^0_L$、$K^0_S$、$\Lambda^0$ 和 $\Xi^0$）的隐形衰变源于新构建的镜像物质模型中普通粒子与镜像粒子之间的振荡。通过将 $CP$ 破坏尺度与镜像对称性破坏尺度相等，该模型预测了精确的分支比：$K^0_L$ 为 $9.9\times10^{-6}$，$K^0_S$ 为 $1.8\times10^{-6}$，$\Lambda^0$ 为 $4.4\times10^{-7}$，$\Xi^0$ 为 $3.6\times10^{-8}$，所有这些均可在现有加速器中探测到。

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.

研究动机与目标

• 为解决尽管存在揭示新物理的潜力，但对长寿命中性强子（如 $K^0_L$、$K^0_S$、$\Lambda^0$ 和 $\Xi^0$）的隐形衰变缺乏实验搜索的问题。
• 探讨镜像物质模型（具有自发镜像对称性破缺）是否能解释轻强子中大的隐形衰变率。
• 通过等同 $CP$ 破坏与镜像对称性破缺的尺度，推导出隐形衰变分支比的精确预测。
• 通过宇宙学约束和现有实验限制检验这些预测的可行性。
• 通过展示可探测的信号水平，激励在现有和未来设施中开展未来的实验搜索。

提出的方法

• 采用一种无显式跨扇区相互作用的镜像物质模型，其中普通粒子与镜像粒子仅在镜像对称性被自发破缺前通过引力相互作用。
• 利用中性 kaon 系统中观测到的 $CP$ 破坏来约束镜像对称性破缺尺度，假设 $CP$ 破坏与镜像对称性破缺尺度相等。
• 应用真空振荡公式 $P(t) = \sin^2(2\theta) \sin^2(\frac{1}{2}\Delta t)$ 来模拟普通-镜像强子振荡，其中 $\theta$ 为混合角，$\Delta$ 为质量劈裂。
• 从 $K^0$-$K^{0'}$ 振荡参数推导出混合强度 $\sin^2(2\theta)$，利用已知的 $CP$ 破坏参数 $\epsilon_K$。
• 使用振荡概率和强子的寿命计算隐形衰变分支比，假设振荡主导于标准衰变。
• 通过宇宙学约束验证预测，并与其它衰变模式（如 $\bar{\nu}\nu$、$\bar{\nu}\nu\bar{\nu}\nu$）的实验限制进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 镜像物质模型能否预测长寿命中性强子（如 $K^0_L$ 和 $\Lambda^0$）具有大且可探测的隐形衰变分支比？
• RQ2 中性 $K^0$ 系统中的 $CP$ 破坏与镜像物质模型中镜像对称性破缺之间存在何种定量关联？
• RQ3 $K^0_L$、$K^0_S$、$\Lambda^0$ 和 $\Xi^0$ 的预测隐形衰变率是否满足宇宙学约束，并保持在现有设施的可探测范围内？
• RQ4 宇宙各向异性和修正的暗能量估计如何影响镜像物质模型的参数与预测？
• RQ5 在不同强子系统（特别是 $D^0$ 和 $B^0$）中，通用相对质量劈裂尺度假设在多大程度上成立？

主要发现

• 镜像物质模型预测 $K^0_L$ 的隐形衰变分支比为 $9.9 \times 10^{-6}$，源于 $K^0$-$K^{0'}$ 振荡。
• 对于 $K^0_S$，预测的隐形衰变分支比为 $1.8 \times 10^{-6}$，显著高于标准模型衰变中的值。
• $\Lambda^0$ 重子预测的隐形衰变分支比为 $4.4 \times 10^{-7}$，使其成为探测的有前途目标。
• $\Xi^0$ 超子预测的隐形衰变分支比为 $3.6 \times 10^{-8}$，与模型的标度行为一致。
• 宇宙各向异性数据将 $n$-$n'$ 混合强度略微修正为 $\sin^2(2\theta_{nn'}) = 1.6 \times 10^{-5}$，仍在实验限制范围内。
• 在修正的宇宙学参数下，模型预测 $B_{\text{inv}}(\Xi^0) \simeq 2.8 \times 10^{-8}$，$B_{\text{inv}}(D^0) \simeq 1.1 \times 10^{-10}$，$B_{\text{inv}}(B^0) \simeq 2.7 \times 10^{-10}$。