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）
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
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
：
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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 reached to 1ppm for muon lifetime.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
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ミューオンの寿命（Fermi定数の測定）測定
2 SMのテスト
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ミューオン（ｇ−２）の測定
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ミューオン崩壊におけるMichel パラメータの測定
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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
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Charged Lepton‐flavor violation(ｃLFV)探索
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ミューオンEDM測定
conversion in nuclei muonium-antimuonium conversion 8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: QED Up to 5-loop leading Kinoshita et al Hadronic vacuum polarization (HVP) Light-by-light scattering (LBL) Electroweak at twe-loop level Beyond SMSMの予言値（based on HVP from e+e- data.）
(Hagiwara et al, 06) (Devier al, 06)
(Hertzog et al, 07 White 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。
• 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。• 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
• 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。
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)
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？
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, 07 White paper for E969)
Msq<1TeV
Msq<2TeV
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: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） 17
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） 18
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 Seesaw model
(JH, Tobe, Moroi, & Yamaguchi)
SUSY SO(10) GUT
now now
MEG(I) MEG(I)
PRISM/PRIME
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。
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。
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)
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。
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)
: 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
