[论文解读] Workshop summary -- Kaons@CERN 2023

G. Anzivino, S. Arguedas Cuendis+61 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 232被引用 4

一句话总结

本文总结了2023年CERN强子研讨会，强调了奇异强子物理在探测标准模型之外新物理中的关键作用。它指出，未来实验如HIKE和KOTO-II，结合先进的理论工具，将能够对稀有奇异强子衰变实现精密测试——为TeV尺度的新物理提供高灵敏度探测手段，甚至可能揭示轻子数不守恒或新对称性。

ABSTRACT

Kaon physics is at a turning point -- while the rare-kaon experiments NA62 and KOTO are in full swing, the end of their lifetime is approaching and the future experimental landscape needs to be defined. With HIKE, KOTO-II and LHCb-Phase-II on the table and under scrutiny, it is a very good moment in time to take stock and contemplate about the opportunities these experiments and theoretical developments provide for particle physics in the coming decade and beyond. This paper provides a compact summary of talks and discussions from the Kaons@CERN 2023 workshop.

研究动机与目标

• 在即将开展的实验（如HIKE、KOTO-II和LHCb-Phase-II）背景下，评估奇异强子物理当前及未来的实验与理论格局。
• 评估稀有奇异强子衰变（尤其是$K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu}$和$K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu}$）作为清洁、理论精确的新物理探测器的潜力。
• 探讨奇异强子物理与其他粒子物理领域（包括味物理、强CP问题和轻子生成）之间的相互作用。
• 识别通过联合分析$K$和$B$衰变来约束或发现新物理的关键理论与实验挑战及机遇。
• 倡导建设新一代奇异强子对撞机（HIKE）作为推动精密味物理和检验新物理微观结构的关键基础设施。

提出的方法

• 系统性回顾并整合2023年CERN强子研讨会的报告与讨论，汇聚了来自全球100多位实验与理论专家。
• 分析标准模型有效场论（SMEFT）和手征微扰理论（ChPT）等理论框架，以评估奇异强子衰变对新物理的敏感性。
• 评估HIKE和KOTO-II未来实验对稀有及辐射型奇异强子衰变的灵敏度，及其与$B$-介子衰变的互补性。
• 研究模型构建情景，包括$U(1)_H$味对称性及其对轴子暗物质和强CP问题的影响。
• 利用多种衰变模式的联合拟合以增强对新物理模型的约束，特别是当长程贡献得到优化时。
• 评估$K^+$和$K_L$衰变中精密测量在检验CKM幺正性和探测非标准流形方面的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来实验如HIKE和KOTO-II如何通过稀有奇异强子衰变实现对TeV尺度新物理的必要精度探测？
• RQ2 $K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu}$和$K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu}$衰变作为清洁、理论稳健的新物理探测器，其潜力如何？
• RQ3 是否存在一种$U(1)_H$味对称性，能同时解决味问题，并生成一个可行的轴子暗物质候选者，同时解决强CP问题？
• RQ4 对$K^+$和$K_L$衰变的精密测量在约束新物理模型方面，如何与LHC搜索和电弱精密数据形成互补？
• RQ5 对长程贡献的理论计算改进，能在多大程度上增强未来奇异强子实验对新物理的探测灵敏度？

主要发现

• 稀有衰变模式$K^+ \to \pi^+ \nu\bar{\nu}$和$K_L \to \pi^0 \nu\bar{\nu}$是标准模型中理论上最清晰的“标准烛光”之一，强子不确定性极小。
• 这些稀有衰变的理论精度已达到未来实验（如HIKE和KOTO-II）的预期灵敏度水平，使新物理的稳健检验成为可能。
• 通用新物理模型在$B$和$K$衰变之间表现出强烈互补性，未来奇异强子对撞机在约束新物理微观结构方面具有独特优势。
• 除“金标准”模式外，HIKE和KOTO-II将以前所未有的精度测量大量$K^+$和$K_L$衰变，有助于推进ChPT、Dispersion理论以及格点QCD+QED工具的发展。
• 对非金标准模式的改进测量可增强对新物理模型的约束，尤其是在全局拟合中，尤其当长程贡献理解更深入时。
• 即使未发现新物理，HIKE和KOTO-II对标准模型在奇异强子衰变中的精密测量也将产生强有力的排除限，使其成为未来味物理不可或缺的组成部分。