欧州XFELを用いた12 GeV以下のエネルギーを持つガンマガンマコライダーにおけるBSM物理の探索

核心概念

本稿では、欧州XFELの電子ビームを用いたガンマガンマコライダーの実現可能性と、それを用いた標準模型を超える物理（BSM物理）探索の可能性について議論する。

要約

欧州XFELを用いたガンマガンマコライダーにおけるBSM物理探索の可能性

本論文は、欧州XFELの電子ビームを用いたガンマガンマコライダーの実現可能性と、それを用いた標準模型を超える物理（BSM物理）探索の可能性を議論する研究論文である。

研究目的

• 欧州XFELの17.5 GeV電子ビームを用いて、最大12 GeVのエネルギーを持つガンマガンマコライダーを構築できるかどうかを検討する。
• 構築できた場合、標準模型を超える物理、特にアクシオン様粒子（ALP）を観測できる可能性を評価する。

方法

• コンプトン後方散乱過程を用いて、電子ビームから高エネルギー光子ビームを生成する手法を検討する。
• 生成された光子ビームのエネルギー分布と光度を計算する。
• 光子-光子散乱過程における標準模型の寄与と、ALPの寄与を計算し、比較検討する。

主な結果

• 欧州XFELの電子ビームを用いることで、現実的なパラメータでガンマガンマコライダーを構築できる可能性がある。
• ALPが標準模型の予測を超える光子-光子散乱事象を引き起こす可能性があり、その観測にガンマガンマコライダーが有効である。

結論

欧州XFELの電子ビームを用いたガンマガンマコライダーは、BSM物理、特にALPの探索に有効な手段となりうる。高エネルギーの電子-陽電子衝突型加速器が建設されるまでの間、欧州XFELの電子ビームを用いることで、ガンマガンマコライダー技術の開発や、BSM物理探索を進めることが可能である。

意義

本研究は、既存の加速器施設を用いた新たな物理探索の可能性を示唆するものである。特に、ALPの探索は、暗黒物質や宇宙の進化の謎を解明する上で重要な鍵となる可能性がある。

限界と今後の研究

本研究では、簡略化されたモデルを用いて計算を行っているため、より詳細なシミュレーションが必要である。また、ALPの質量や結合定数などのパラメータによって、観測可能性が変化するため、様々なパラメータ領域で検討を行う必要がある。

統計

欧州XFELの電子ビームエネルギー: 17.5 GeV
ガンマガンマ衝突の重心系エネルギー: 最大12 GeV
ALPの質量: 6 GeV (例として)
ALPの結合定数: 10 TeV (例として)

引用

"The possibility of a Photon-Photon collider extension to the Beam dump of the 17.5 GeV European XFEL has been discussed before as the first high energy collider of its sort."
"It would not just be to study the concept of photon colliders but would also be a collider without competition in the region of 5 −12 GeV for photon-photon collision."
"In this range, b¯b and c¯c resonances, tetraquarks as well as mesonic molecules can be observed. Furthermore, some BSM processes can also be reached in this range."

抽出されたキーインサイト

Searches for BSM physics at a gamma-gamma collider with Energy < $12$ GeV based on European XFEL

by Mart... 場所 arxiv.org 10-28-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.19465.pdf

深掘り質問

ガンマガンマコライダーで生成可能なその他の興味深いBSM粒子は何だろうか？

ガンマガンマコライダーは、光子と光子の衝突というクリーンな環境を提供するため、様々な興味深いBSM粒子探索の場となりえます。以下に、ALP以外の例を幾つか挙げます。

テトラクォーク: 4つのクォークからなる仮説上の粒子であり、従来のクォークモデルを超えたエキゾチックなハドロン状態として注目されています。ガンマガンマ衝突は、グルーボールなどのバックグラウンド事象が少ない環境でのテトラクォーク生成に有利と考えられています。
中間質量領域のダークマター粒子: 弱く相互作用する重い粒子 (WIMP) は、ダークマターの有力な候補として長年研究されてきましたが、近年では、より軽い質量を持つダークマターの可能性も検討されています。ガンマガンマ衝突は、GeVスケールの質量を持つダークマター粒子を生成し、その崩壊を観測する手段として期待されています。
重いニュートリノ: 標準模型を超える物理として、ニュートリノが質量を持つメカニズムの解明は重要な課題です。右巻きニュートリノなどの重いニュートリノは、ガンマガンマ衝突で生成される可能性があり、その崩壊様式を観測することで、ニュートリノの質量階層や混合角に関する情報を得られる可能性があります。
これらの探索は、標準模型を超える物理の兆候を探す上で非常に重要です。ガンマガンマコライダーは、高エネルギーフロンティアを開拓する上で、ユニークかつ強力なツールとなる可能性を秘めています。

標準模型の範囲内でも、光子-光子散乱の断面積に影響を与える可能性のある未知の要素は存在しないだろうか？

標準模型は非常に成功した理論ですが、それでも説明できない現象が存在します。光子-光子散乱の断面積に影響を与える可能性のある未知の要素としては、以下のようなものが考えられます。

未知の粒子によるループ効果: 標準模型を超える理論において存在が予言されている、 yet undiscovered particles が、ループレベルで寄与することで、光子-光子散乱の断面積に影響を与える可能性があります。
非摂動的な効果: 標準模型の結合定数はエネルギーの変化に伴い変化します。高エネルギー領域では結合定数が大きくなり、摂動論が破綻する可能性があります。非摂動的な効果は計算が難しいため、光子-光子散乱の断面積への影響を正確に見積もることは困難です。
標準模型の未知の相互作用: 標準模型は、現時点で観測されている素粒子とそれらの間の相互作用を記述していますが、将来的に新しい相互作用が発見される可能性は否定できません。未知の相互作用は、光子-光子散乱のダイナミクスに影響を与える可能性があります。
これらの未知の要素は、光子-光子散乱の高精度測定を通じて、その存在を明らかにできる可能性があります。

光と物質の相互作用に関する我々の理解を根本的に変えるような、全く新しい物理法則が発見される可能性はあるだろうか？

光と物質の相互作用は、電磁気力によって支配されており、標準模型によって非常に正確に記述されています。しかし、これはあくまでも現時点での我々の理解であり、将来的に全く新しい物理法則が発見される可能性は否定できません。
例えば、以下のような可能性が考えられます。

余剰次元: 我々の住む4次元時空を超えた、余剰次元が存在する可能性があります。余剰次元が存在する場合、光子はその影響を受けて伝播し、光と物質の相互作用に新たな効果が現れる可能性があります。
新しい媒介粒子: 光と物質の相互作用を媒介する、未知の粒子が存在する可能性があります。このような粒子は、現在の加速器実験では到達できない高エネルギー領域でのみ生成されるかもしれません。
光子の複合性: 光子は素粒子と考えられていますが、実は内部構造を持つ複合粒子である可能性もあります。光子が複合粒子である場合、その内部構造に起因する新しい相互作用が発見されるかもしれません。
これらの新しい物理法則が発見されれば、光と物質の相互作用に関する我々の理解は根本的に覆されることになります。ガンマガンマコライダーのような高エネルギー実験は、このような未知の領域を探求し、新たな物理法則の発見を目指す上で重要な役割を担っています。