レプトンコライダーにおける横スピン効果と軽クォーク双極子モーメント

핵심 개념

レプトンコライダーにおける、別のハドロンと同時に生成される共線的なダイハドロン対の方位角非対称性を用いて、軽クォーク双極子相互作用をプローブする新しい方法が提案されています。

초록

レプトンコライダーにおける軽クォーク双極子相互作用のプローブ

この論文は、将来のレプトンコライダー実験において、別のハドロンと同時に生成される共線的なダイハドロン対の方位角非対称性を用いて、軽クォーク双極子相互作用をプローブする新しい方法を提案しています。

背景

素粒子の電気双極子モーメントの測定は、標準模型（SM）を検証し、新しい物理（NP）を探る上で非常に重要です。電気双極子モーメントは、宇宙で観測されるバリオン非対称性を生成するために必要なCP対称性の破れと関連しており、SM有効場理論（SMEFT）の枠組みの中で、次元6演算子によって系統的にパラメータ化することができます。これらの演算子は、NP相互作用をスケールΛで導入します。これは、高エネルギー散乱におけるフェルミオンのヘリシティーフリップ効果によって特徴付けられ、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で観測された特定の異常の原因となる可能性があります。しかし、この特性のために、非偏極生成率のみを使用するSMEFT演算子の現在のグローバル解析では、軽フェルミオン双極子演算子からの寄与はO(1/Λ4)で2次的に開始するか、またはO(1/Λ2)でのSM振幅との干渉において小さなフェルミオン質量によって大幅に抑制されるため、対応するウィルソン係数はあまり制約されていません。

新しいプローブ

この問題を解決するために、横スピン情報を利用した新しい観測量が提案されています。これらの観測量は、軽フェルミオンの横スピンが電気双極子とSM相互作用の間の干渉に敏感であるため、フェルミオン質量による抑制なしにO(1/Λ2)で発生するため、特に効果的です。これは、ストレージリングの誘導磁場によって偏光を制御することでレプトンビームに対して比較的容易に行うことができますが、軽クォークの横スピンは、カラー閉じ込めのため直接アクセスできません。

提案手法

この論文では、将来のレプトン-レプトンコライダーで軽クォーク双極子結合を制約する可能性を検討しています。これは、電子-陽子（ep）衝突におけるダイハドロン生成の交差過程と見なすことができ、初期状態の陽子が最終状態に反転し、バックグラウンドがはるかにクリーンになります。さらに、実験的に観測可能なものは、もはや陽子-ダイハドロンの最終状態に限定されません。論文で示されているように、（π+π-）対と別のハドロンh'（例：h'=π±、K±、p、または¯p）の関連生成の複合解析により、アップクォークとダウンクォークの双極子結合を分離することができます。

利点

この論文で提案されている横スピン観測量の利点は、SMEFT双極子演算子に線形かつ排他的に依存することです。これは、LHCで提案されている従来の方法やe-e+コライダーでの他の観測量よりも1〜2桁優れています。また、ダイハドロン対と同時に生成されるハドロンh'を活用し、h'（π±、K±、p/¯p）のすべての可能なチャネルを組み合わせることで、e-e+コライダーはepコライダーでのフレーバー縮退を解決し、アップクォークとダウンクォークの双極子結合に個別の制約を与えることができます。

통계

√s = 10 GeV、電子ビームの偏光度 λℓ = 0.8
√s = 91 GeV、非偏光レプトンビーム
積分ルミノシティ L = 1000 fb-1
z ∈ (0.19, 0.99)
¯z ∈ (0.2, 0.8)
Mh ∈ (0.28, 2.05) GeV

인용구

"Measuring electroweak dipole moments of particles is crucial for testing the Standard Model (SM) and probing New Physics (NP)."
"It is the purpose of this Letter to examine the possibility of constraining light-quark dipole couplings at a future lepton-lepton collider."
"That leveraging the associatively produced hadron h′ in a multi-channel analysis enables one to disentangle the quark flavors of the dipole couplings is the most important observation in this Letter."

핵심 통찰 요약

Transverse spin effects and light-quark dipole moments at lepton colliders

by Xin-Kai Wen,... 게시일 arxiv.org 11-22-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.13845.pdf

더 깊은 질문

この新しい方法は、他のレプトンフレーバー（ミュー粒子やタウ粒子など）の双極子モーメントを研究するためにも使用できるでしょうか？

ミュー粒子やタウ粒子といった重いレプトンフレーバーの双極子モーメントを研究する場合、この論文で提案された方法は、いくつかの修正を加えることで適用できます。

終状態粒子の変更: ミュー粒子やタウ粒子はハドロンよりもはるかに寿命が長いため、終状態粒子として直接観測できます。そのため、ハドロンの代わりに、ミュー粒子対やタウ粒子対の生成を用いる必要があります。
質量効果の考慮: ミュー粒子やタウ粒子は軽クォークに比べて質量が大きいため、質量効果を無視できなくなります。そのため、解析には質量効果を考慮した断面積の計算が必要です。
崩壊過程の考慮: タウ粒子はハドロンに崩壊するため、崩壊過程を考慮した解析が必要です。
これらの修正を加えることで、重いレプトンフレーバーの双極子モーメントに対しても、論文で提案された方法を適用し、方位角非対称性を測定することで、双極子結合に関する情報を得ることが可能になります。

軽クォークの双極子モーメントが標準模型の予測からずれていることがわかった場合、どのような新しい物理がこのずれを説明できるでしょうか？

軽クォークの双極子モーメントが標準模型の予測からずれていることは、新しい物理の存在を示唆する重要な兆候となります。このずれを説明できる可能性のある新しい物理には、以下のようなものが考えられます。

超対称性理論: 超対称性理論は、標準模型の各粒子に対して、スピンが1/2だけ異なる超対称性パートナー粒子を導入する理論です。これらのパートナー粒子は、軽クォークの双極子モーメントに影響を与える可能性があります。
余剰次元モデル: 余剰次元モデルは、我々の住む4次元時空以外の余剰次元を導入する理論です。余剰次元を伝播する新しい粒子が、軽クォークの双極子モーメントに影響を与える可能性があります。
複合ヒッグス模型: 複合ヒッグス模型は、ヒッグス粒子がより基本的な粒子の複合粒子であると考える理論です。複合粒子としてのヒッグスの内部構造が、軽クォークの双極子モーメントに影響を与える可能性があります。
新しいゲージ相互作用: 標準模型を超えた新しいゲージ相互作用が存在する場合、そのゲージボソンとの相互作用を通じて、軽クォークの双極子モーメントが影響を受ける可能性があります。
これらの新しい物理は、軽クォークの双極子モーメント以外にも、様々な物理量に影響を与える可能性があります。そのため、軽クォークの双極子モーメントの測定と合わせて、他の物理量についても精密測定を行うことで、新しい物理の兆候をより明確に捉えることが期待されます。

この研究で開発された技術は、素粒子物理学以外の分野、例えば物性物理学に応用できるでしょうか？

この研究で開発された技術は、素粒子物理学以外の分野、特にスピントロニクスや物性物理学の分野においても応用できる可能性があります。

スピントロニクス: スピン偏極した電子を利用するスピントロニクスデバイスにおいて、電子スピンの方位角分布を制御することは重要な課題です。この研究で開発された、方位角非対称性を利用したスピン状態の解析技術は、スピントロニクスデバイスの開発や性能向上に役立つ可能性があります。
物性物理学: 固体中の電子や原子核は、スピンと呼ばれる量子力学的自由度を持ちます。この研究で開発された技術は、物質中のスピン状態を解析する新しい手法を提供する可能性があります。例えば、物質に偏光光を照射し、放出される電子の方位角分布を測定することで、物質中の電子のスピン状態に関する情報を得ることができるかもしれません。
ただし、これらの分野への応用には、それぞれの系における具体的な物理現象を考慮する必要があります。例えば、スピントロニクスデバイスへの応用には、電子スピンとデバイス材料との相互作用を考慮する必要がありますし、物性物理学への応用には、物質中の電子や原子核の相互作用を考慮する必要があります。