ミューオンで探る...
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ミューオンで探る素粒子標準模型を越える物理
R C N P 研究会「ミューオン科学と加速器研究」日時: 2 0 0 8 年1 0 月2 0 日( 月) ‐ 2 1 日( 火)
場所:大阪大学核物理研究センター
久野(ひさの)純治 (宇宙線研)
1
祝 南部、小林、益川三先生ノーベル賞受賞
2
これから10年の素粒子物理TeVスケールの物理の解明
• 電弱対称性の破れの起源
• 階層性問題(weak scaleの起源)
• 宇宙の暗黒物質
• (ニュートリノ質量?)
標準模型(SM)を越える物理 (BSM)• 新しい対称性
• 新しい粒子
• 新しいフレーバー構造
(候補)
超対称標準模型、余剰次元、Little Higgs模型、etc. 3
これから10年の素粒子物理の道具
4
これから10年の素粒子物理の道具
本当は天体素粒子物理は重要な道具の一つだ
けど、今回は割愛
本当は天体素粒子物理は重要な道具の一つだ
けど、今回は割愛
5
由緒正しき精密測定の道具:ミューオン
1 SMパラメータの決定:
– ミューオンの寿命測定(Fermi定数の決定)
2 SMのテスト:
– ミューオン(g−2)の測定
– ミューオン崩壊におけるMichel パラメータの測定
– ミューオンキャプチャー比の測定
3 対称性の破れの探索:– Charged Lepton‐flavor violation(cLFV)探索
– ミューオンEDM測定
conversion in nuclei
muonium-antimuonium conversion
6
ミューオンの寿命(Fermi定数)測定
Fermi定数 は電弱セクターの基本パラメータ
99年にミューオンの寿命に対するQED2ループの補正が完成。理論からの への不定性は0.3ppm、実験から不定性が9ppm。
Kammel’s talk@Nufact08.MuLan reachedto 1ppm for muon lifetime.
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由緒正しき精密測定の道具:ミューオン
1 SMパラメータの決定:
– ミューオンの寿命(Fermi定数の測定)測定
2 SMのテスト:
– ミューオン(g−2)の測定
– ミューオン崩壊におけるMichel パラメータの測定
– ミューオンキャプチャー比の測定
3 対称性の破れの探索:– Charged Lepton‐flavor violation(cLFV)探索
– ミューオンEDM測定
conversion in nuclei
muonium-antimuonium conversion
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ミューオン(g-2)の測定
実験値(BNK-E821)
ミューオン (g-2)への寄与:
QEDUp to 5-loop leading
Kinoshita et al
Hadronic vacuumpolarization (HVP)
Light-by-lightscattering
(LBL)
Electroweakat twe-loop level
Beyond SM
SMの予言値(based on HVP from e+e- data.)(Hagiwara et al, 06)
(Devier al, 06)
(Hertzog et al, 07White paper for E969)
理論と実験で3.4 または3.3 sigmaのずれ。予言値の差はHVPとLVLからくる。 9
• Hadronic vacuum polarization (HVP)
• HVP は e+e- dataから分散関係より導かれる。
(Hagiwara et al, 06)
(Devier al, 06)
• 最新の値:
• コメント
1 versus 。 e+e-に軍配。
2 R比に大きなエラーの可能性?
(Benayoun et al, ‘08)
(Passera et al, ‘08)
EW精密測定からくるヒッグス質量の上限が下がる。
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• Hadronic vacuum polarization (HVP)
• HVP は e+e- dataから分散関係より導かれる。
(Hagiwara et al, 06)
(Devier al, 06)
• 最新の値:
• コメント
1 versus 。 e+e-に軍配。
2 R比に大きなエラーの可能性?
(Benayoun et al, ‘08)
(Passera et al, ‘08)
EW精密測定からくるヒッグス質量の上限が下がる。
R 比
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• Light-by-light scattering(LBL)
• LBLを観測量と直接関係つける方法はない。またQCDから直接計算もまだでき
ない。モデル計算に依存。
• 現在3つのモデル計算があり、それらはO(Nc)のリーディングでは無矛盾だけど、O(1/Nc)で差が現れる。Bijnens and Prades (07)の提案は、
• Erler and Sanchez (06)はEWの観測量におけるハドロンループの寄与がほとんどパートンの計算であうことに注目し、LBLの寄与に上限を出した。
• Lattice QCD によるアプローチ (Hayakawa et al)。 12
将来実験で までの改善があるとすると5-σ discoveryを目指せ
る。
Error budgetとミューオン(g-2)の将来
(Hertzog et al,07)
(Hertzog et al,07)
13
BSMとミューオン (g-2)
• 超対称標準模型は、2つHiggs doubletがあることにより、比較的おおきなずれを出すことができる。
• 典型的なBSMの寄与の大きさは小さい。 (参考: )
• ミューオン (g-2)に寄与を与える次元5の演算子;
• 一般にTwo-Higgs doublet modelは大きなずれをだすことができるか?答え:Not easy. 14
超対称標準模型とミューオン (g-2)• ミューオン (g-2)はLHCで見つかるような軽い超対称粒子を予言する模型をfavorしている。• LHCでは やヒッグシーノの質量 の符号はよくきまらないが、ミューオン (g-2)の値が改善すれば、LHCの結果と組み合わせることでそれらを決めるよい量とな
る。
(Hagiwara et al, 06) (Hertzog et al, 07White paper for E969)
Msq<1TeV
Msq<2TeV
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ミューオン (g-2)、 cLFV、そして EDM• これらはBSMに感度が高く、また有効dipole演算子によって導かれる。
•ミューオン (g-2)の3.4sigmaのずれがBSMの寄与であれば、その新たな相互作用がcLFVやCPVを導く可能性がある。
1. ミューオン (g-2):
2.
3. ミューオン EDM:
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μLFVs:
• フレーバー対称性の破れ
• ループによる抑制
( : PMNS行列、 )
• cLFVはTeVスケールのBSMに高い感度をもつ。
Λ∗ は観測から~10(5-6) GeV以上ということになる。 現実的な模型では、Λ∗ は実際の新しい粒子が現れるスケールに比べ大きくなる。
μLFVはTeVスケールの物理におけるフレーバー対称性の破れの構造を探る有
力な方法である。
(Λ∗:有効BSMスケール)
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超対称模型におけるcLFV
スレプトン質量行列
レプトン質量行列
スレプトンの超対称性を破る質量項の寄与
提案1) Universal scalar mass hypothesis:2) Alignment hypothesis: 3) Decoupling hypothesis:
cLFVの研究により超対称性の破れの起源や超対称標準模型を越える相
互作用を探ることができる。
• SUSY粒子に対して超対称性を破る質量項が導入さ
れ、それらは必ずしもフレーバー対称性をたもたない。
• SUSYフレーバー問題
(観測)
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SUSYフレーバー問題のヒントはまずはLHCがあたえてくれるだろう。。。
(hisano@Nufact07)
SUSYフレーバーの物理はそれではおわらない。19
SUSY Seesaw model
(JH& Nomura)
(JH, Tobe, Moroi, & Yamaguchi)
SUSY SO(10) GUT
now now
MEG(I) MEG(I)
PRISM/PRIME
(Calibbi et al)
PRISM/PRIME
PRISM/PRIME
Minimal SUSY SU(5) GUT
GUTsや右巻きニュートリノの相互作用に
よりレプトンフレーバー対称性を破るスレプトンの質量項が生じる。
cLFVの発見は新たなパズルを生み、それはTeVを越える物理を探る糸口となる。
Decoupling hypothesisにおけるHiggs mediation
(Babu & Kolda)
MEG(I)
Barr-Zee
• SUSY粒子の質量がO(1-10)TeV以上の場合SUSY粒子の1ループの寄与は無視できる一方で、Higgs mediationの寄
与により観測可能になり得る。
• はBarr-Zee型の2ループグラフにより、他のプロセスはtreeのグラフによりおこり、
お互いに相補的になっている。
教訓:TeVスケールに1つでもレプトンに結合する新粒子があればそれはcLFVの寄与を与えうる。
21
Little Higgs model with T parity
ヒッグス粒子は擬NG bosonであるため軽い。T parityの導入(EW精密測定の制限を回避、暗黒物質を説明)→T-oddミラーレプトン、ミラークォークの導入。新しいフレーバーの破れ。
(Blanke et al)
とてもSUSYに似ているが、アクシデンタルな理由により が相対的に小さい。
22
Randall&Sundrum時空で実現した標準模型曲がった5次元時空にSM粒子が存在。ヒッグス場の波動関数とのオーバーラップでクォーク、レプトンの質量が決まる。
→ 湯川結合の階層構造Kaluza-Klain粒子がフレーバーを大きく破った相互作用を持つ。
(Agache et al) 23
Randall&Sundrum時空で実現した標準模型曲がった5次元時空にSM粒子が存在。ヒッグス場の波動関数とのオーバーラップでクォーク、レプトンの質量が決まる。
→ 湯川結合の階層構造Kaluza-Klain粒子がフレーバーを大きく破った相互作用を持つ。
ニュートリノ質量の発見により、レプトンフレーバー数は自然において保存していない。
BSMがcLFVを予言しないとしたら、それはとてもとて
も深い理由があるはず。
ニュートリノ質量の発見により、レプトンフレーバー数は自然において保存していない。
BSMがcLFVを予言しないとしたら、それはとてもとて
も深い理由があるはず。
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1,cLFVプロセス間の相関をとることでLFVの起源をさぐる。
(Blanke et al)
Little-Higgs、 超対称粒子の寄与、Higgs mediationの寄与の時の相関
核子中のμ–e転換のZ依存性(Kitano,Koike &Okada)
Large difference for high Z
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: 左巻きスレプトンがLFVの起源(SUSY seesaw model)
: 右巻きスレプトンがLFVの起源(SUSY SU(5) GUT)
2,asymmetryによりcLFVの起源を探る。
このとき偏極ミューオンを使うことにより
たとえば超対称模型では
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ミューオン EDM• 荷電レプトンのEDM
• CPの破れがフレーバーによらない場合
• CPの破れがフレーバーの破れ起源である場合例) 超対称模型 (右巻きと左巻きのスレプトンの混合の位相差)
将来の見込み
EDMはフェルミオンの質量に比例。
から制限されるが
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これから10年の素粒子物理の道具
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