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核心概念
ベクトルチャーモニウムとボトモニウムの不可視崩壊は、クォークの質量スケールでの弱い混合角の測定を可能にし、標準模型を超えた物理の兆候を提供する可能性があります。
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Invisible decays of vector Charmonia and Bottomonia
本論文は、標準模型（SM）とその拡張モデルの枠組みの中で、ベクトルチャーモニウム状態（J/ψ、ψ'、Υ(nS)）のニュートリノ対への崩壊について考察しています。
導入
チャーモニウム状態J/ψの発見は、チャームクォークの存在を示唆しました。
その後、ボトムクォークと反ボトムクォークの束縛状態であるΥ中間子が発見されました。
これらのベクトルクォークオニウム状態(VQ)とその励起状態の崩壊過程は、フレーバーファクトリー、主にベクトルクォークオニウム共鳴の質量に調整できる電子-陽電子衝突型加速器で測定されてきました。
クォークオニウムは主にハドロンチャンネルに崩壊しますが、レプトン対への崩壊も数%のレベルで起こり、より高い精度で測定することができます。
研究の動機
本論文では、JPC = 1−−のクォークオニウム状態、すなわちそれらの弱いVQ→νν̄崩壊の不可視崩壊幅の計算に焦点を当てています。
特に、弱い混合角（sin^2 θW(μ)）が不可視崩壊幅に与える影響を調べ、非標準的なニュートリノ相互作用も考慮して解析を拡張しています。
クォークオニウムの質量スケールでの弱い混合角の決定は、不可視崩壊幅を高精度で測定できれば実現可能であることを示唆しています。
解析
ベクトルクォークオニウムの崩壊は、クォークの弱いベクトル結合に依存する崩壊幅を持つため、クォークオニウムの質量スケールでの弱い混合角を測定する機会を提供します。
ニュートリノが非標準的な中性カレント結合を持つ場合、原理的にはニュートリノの性質を区別するのに役立つ可能性があります。
本論文では、ディラック粒子とマヨラナ粒子の両方を考慮し、標準模型（SM）とその拡張モデルの枠組みの中で、ベクトルクォークオニウム状態（J/ψ、ψ'、Υ(nS)）のニュートリノ対への崩壊の分岐比を計算しています。
結果
チャーモニウムの不可視崩壊幅は、荷電レプトンへの崩壊と比較して約6桁も抑制されています。
一方、ボトモニウムの不可視崩壊幅は、電子-陽電子対への崩壊と比較してわずか3桁小さいだけです。
これは、主に式(8)におけるクォークオニウムの質量依存性によるものです。
Υ(1S)（およびJ/ψ）の不可視崩壊は10^-5（10^-8）レベルで起こると予測されており、これはBelle-II（BES-III）のような現在の電子-陽電子衝突型加速器の到達範囲内にあると考えられます。
これらのスケールでの弱い混合角の有意な決定には、数パーセントの精度での測定が必要となります。
結論
クォークオニウム状態の特異なベクトル的特徴は、チャーモニウムとボトモニウム状態の質量スケールでの弱い混合角の測定に適しています。
不可視崩壊の分岐比は、主に弱いベクトル結合に依存する標準模型の明確な予測です。
クォークオニウムの不可視崩壊幅は、ニュートリノの性質を調べるのにも役立ちます。
ニュートリノに対するZボソンのベクトル結合と軸結合を異なる方法で変更する、非標準的なニュートリノ相互作用が存在する場合、ディラックニュートリノとマヨラナニュートリノの崩壊確率に違いが現れ、ディラック-マヨラナ混同定理を回避することができます。
SMを超えた新しい物理が存在する場合、Υ(1S)とJ/ψの崩壊においてディラックニュートリノとマヨラナニュートリノを区別することは有望に見えますが、その不可視崩壊幅を非常に高い精度で測定する必要があります。
統計資料
チャーモニウムの不可視崩壊幅は、荷電レプトンへの崩壊と比較して約6桁も抑制されています。
ボトモニウムの不可視崩壊幅は、電子-陽電子対への崩壊と比較してわずか3桁小さいだけです。
Υ(1S)（およびJ/ψ）の不可視崩壊は10^-5（10^-8）レベルで起こると予測されています。
深入探究
クォークオニウムの不可視崩壊の研究は、他の素粒子標準模型のパラメータの測定にも応用できるでしょうか？
はい、クォークオニウムの不可視崩壊の研究は、他の素粒子標準模型のパラメータの測定にも応用できる可能性があります。
この論文では、特に 弱い混合角 (sin²θW) の測定に焦点を当てています。これは、クォークオニウムの不可視崩壊が、重いクォークとZボソンの相互作用、すなわち 弱いベクトル結合 に依存するためです。
クォークオニウムの不可視崩壊の分岐比を精密に測定することで、異なるエネルギー・質量スケールにおける弱い混合角の値をより正確に決定できる可能性があります。これは、標準模型の高エネルギーでの振る舞いを検証する上で重要な情報となります。
さらに、クォークオニウムの不可視崩壊は、ニュートリノの質量階層性やCP対称性の破れなど、ニュートリノセクター の性質を探る上でも重要な役割を果たす可能性があります。
もしクォークオニウムの不可視崩壊が予想よりも高い確率で観測された場合、どのような新しい物理モデルが考えられるでしょうか？
もしクォークオニウムの不可視崩壊が標準模型の予想よりも高い確率で観測された場合、それは新しい物理の存在を示唆する可能性があります。考えられる新しい物理モデルとしては、以下のようなものが挙げられます。
未知の粒子への崩壊: クォークオニウムが標準模型に含まれない未知の粒子、例えば暗黒物質の候補となる粒子など、に崩壊している可能性があります。
新しい媒介粒子の存在: クォークとニュートリノの間に、標準模型のZボソン以外にも新しい媒介粒子が存在し、それが不可視崩壊を引き起こしている可能性があります。 Leptoquark などの近年提唱されている新粒子がその候補となりえます。
ニュートリノの新しい相互作用: ニュートリノが標準模型で想定されている以上の新しい相互作用を持つ可能性があります。例えば、ニュートリノ同士が相互作用する モデルなどが考えられます。
これらの可能性を検証するためには、クォークオニウムの不可視崩壊だけでなく、他の崩壊過程や反応も詳細に調べる必要があります。
素粒子物理学における精密測定の進歩は、宇宙の進化や物質の起源に関する理解をどのように深めることができるでしょうか？
素粒子物理学における精密測定の進歩は、宇宙の進化や物質の起源に関する理解を深める上で非常に重要です。
例えば、宇宙初期には、現在の宇宙では観測されないような高エネルギー状態 が実現していました。素粒子の相互作用を精密に測定することで、このような高エネルギー状態における物理法則を解明し、宇宙の進化過程 をより深く理解することができます。
また、宇宙には暗黒物質 や ダークエネルギー など、その正体がわかっていない謎の物質やエネルギーが存在します。素粒子実験における精密測定は、これらの謎の解明にも繋がる可能性があります。
さらに、物質の起源は、素粒子の質量の起源と密接に関係しています。ヒッグス粒子などの質量起源に関わる粒子の性質を精密に測定することで、物質の起源 についてもより深い理解を得ることが期待されます。
このように、素粒子物理学における精密測定の進歩は、宇宙の進化や物質の起源といった根源的な謎の解明に大きく貢献する可能性を秘めています。
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