レプトンフレーバーを手がかりとする新物理探索

• Project/Area Number: 18H01210
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Yokohama National University (2021-2022); Saitama University (2018-2020)
• Principal Investigator: 佐藤 丈 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (60322294)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 下村 崇 宮崎大学, 教育学部, 准教授 (00447278) ; 荒木 威 奥羽大学, 歯学部, 講師 (40645884) ; 上坂 優一 九州産業大学, 理工学部, 特任講師 (60826618)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2021: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2020: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2019: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2018: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
• Keywords: レプトンフレーバー / μーτ対称性 / μーτ / ミューオン原子 / レプトン混合 / LμーLτ模型 / 超対称性 / ミューオン / ニュートリノ / タウ / Lμ-Lτ模型 / 長寿命粒子 / μe->ee

Outline of Annual Research Achievements

レプトンフレーバーを破る模型に関して、それがどのように将来実験で測られるのか、また現在見えている現象の中で標準理論では説明しきれていない現象をどのように説明しうるのかについて、種々調べた。
具体的にはLμーLτ対象性をゲージ化した模型がハッブルテンション（ハッブル定数がその測り方に応じて違う値に見える状況）を説明しうることは知られていたが、より詳細な模型でそれがどのように説明されるのかについて研究を行った。このような模型では通常Z'と呼ばれる中世の軽いゲージボソン以外に、マヨロンと言われる軽い粒子が存在するので、それらの影響を包括的に取り扱い、あるパラメタ領域では確かに説明できることを見た。また、ニュートリノトライデントと言われる過程の詳細な探索がこのような模型の検証にどの程度どの用に役立つかについても調べた。さらに、ミューオン原子を用いた実験で、その電子のスペクトラムを観測することでどの程度の検証が可能になるのかについても検討した。
他にも、レプトンフレーバーを破るような模型がビームダンプ実験でどのように検証されるのかについて詳細に調べた。
一方で、更にレプトン数が破れる現象にも注目して研究を進めた。具体的にはミューオン原子を使う実験においてμ~-　ー＞　e^+という転換がどの程度起こってよいのかについて、理論的な可能性を追求し、近い将来の実験では観測可能性はないが、もう少し先の実験として検討されている施設では可能性があることを見た。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

LμーLτ模型の検証に関する研究は順調に進んでいる。また一般にレプトンフレーバーの破れをどのように検証するべきかという点についても順調だと考える。さらに標準理論を超える模型に関するアイデアもこれらの研究を通していくつか出てきているので、概ね順調に進展していると考える。

Strategy for Future Research Activity

引き続きレプトンフレーバーの破れの検証に関する研究を行う。COMET実験がもうすぐ可動することを見据えてミューオン原子を用いた実験における検証に重点を移す。具体的にはDecay　In Orbitと言われる電子のスペクトルを詳細に観測することでどのような模型が検証できるのかについて詳しく調べる。また、原理的にはレプトン数も破るμ^- ->e^+転換が起きうるが、これについても引き続き研究を進める。
さらに、具体的な模型の構築も行いたい。

Research Products

• [Journal Article] Isotope dependence of muon decay in orbit (2022)
  • Author(s): Heeck Julian、Szafron Robert、Uesaka Yuichi
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 105
  • DOI: 10.1103/physrevd.105.053006
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electron beam dump constraints on light bosons with lepton flavor violating couplings (2021)
  • Author(s): Araki Takeshi、Asai Kento、Shimomura Takashi
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2021 Pages: 082-082
  • DOI: 10.1007/jhep11(2021)082
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Resolving the Hubble tension in a U(1)$_{L_\mu-L_\tau}$ model with the Majoron (2021)
  • Author(s): Araki Takeshi、Asai Kento、Honda Kei、Kasuya Ryuta、Sato Joe、Shimomura Takashi、Yang Masaki J S
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: 2021 Pages: 103-103
  • DOI: 10.1093/ptep/ptab108
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Model identification in μ－→e－\mu^-\to e^-μ－→e－ conversion with invisible boson emission using muonic atoms (2020)
  • Author(s): Uesaka Yuichi
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 102 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.095007
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] COMET Phase-I Technical Design Report (2020)
  • Author(s): R. Abramishvili, M. Moritsu et al. [COMET Collaboration]
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: 2020 Pages: 1-102
  • DOI: 10.1093/ptep/ptz125
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Low scale seesaw models for low scale U(1)Lμ-Lτ symmetry (2019)
  • Author(s): Araki Takeshi、Asai Kento、Sato Joe、Shimomura Takashi
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 100 Pages: 095012-095012
  • DOI: 10.1103/physrevd.100.095012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Distinguishing muon LFV effective couplings using μ+e－→e－+e－ (2019)
  • Author(s): J. Sato,* Y. Uesaka, Y. Kuno, T. Sato, M. Yamanaka
  • Journal Title: PoS NuFACT Volume: 341
  • DOI: 10.22323/1.341.0126
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Momentum distribution of the electron pair from the charged lepton flavor violating process μe→ee in muonic atoms with a polarized muon (2019)
  • Author(s): Kuno Yoshitaka、Sato Joe、Sato Toru、Uesaka Yuichi、Yamanaka Masato
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 100 Pages: 075012-075012
  • DOI: 10.1103/physrevd.100.075012
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Big-bang nucleosynthesis and leptogenesis in the CMSSM (2018)
  • Author(s): M. Kubo, J. Sato, T. Shimomura, Y. Takanishi, M. Yamanaka
  • Journal Title: Physical Review Volume: 97 Pages: 115013-115013
  • DOI: 10.1103/physrevd.97.115013
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 「気がついたら益川さんの研究を追っていた。 KMとニュートリノ、BKMUとCoset Space Unification、それから・・・」 (2022)
  • Author(s): 佐藤丈
  • Organizer: 素粒子論のこの 50 年、そして未来 ― 益川さんを偲んで
• [Presentation] Electron beam dump実験によるcLFV探索 (2021)
  • Author(s): 荒木威
  • Organizer: 素粒子物理学の進展2021，京都大学基礎物理研究所
• [Presentation] Theoretical motivations for the muonium and anti-muonium transition (2021)
  • Author(s): Yuichi Uesaka
  • Organizer: Second Internatinal Workshoponthe Extension Project for the J-PARC Hadron Experimental Facility
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Unification of L_μ - L_τ and the standard model gauge group (2021)
  • Author(s): 佐藤丈
  • Organizer: 素粒子物理学の進展2021，京都大学基礎物理研究所
• [Presentation] Theory Overview :CLFV at muon scale (2020)
  • Author(s): Joe Sato
  • Organizer: Snowmass21
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] IceCube Gap and Lmu-Ltau model (2020)
  • Author(s): Joe Sato
  • Organizer: the International Conference of Computational Methods in Sciences and Enginearing
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Low scale seesaw models for low scale U(1)Lμ-Lτ symmetry (2020)
  • Author(s): 佐藤丈
  • Organizer: 素粒子現象論研究会2020
• [Presentation] ミューオン原子を用いた最小U(1)_{L_\mu-L_\tau}模型の検証可能性 (2020)
  • Author(s): 柿澤広明
  • Organizer: 日本物理学会 2020年 秋季大会
• [Presentation] ミューオンDecay In Orbitの精密測定による、最小U(1)X拡張標準模型の探索可能性の検証 (2020)
  • Author(s): 柿澤広明
  • Organizer: 日本物理学会 2021年 春季大会
• [Presentation] Neutralino dark matter のSommerfeld enhancement機構 による間接検出の可能性 (2020)
  • Author(s): 永山未來
  • Organizer: 日本物理学会 2021年 春季大会
• [Presentation] 繰り込み可能なL_\mu-L_\tau模型によるHubble tensionの解決 (2020)
  • Author(s): 粕谷竜太
  • Organizer: 日本物理学会 2021年 春季大会
• [Presentation] Low scale seesaw models for low scale U(1)Lμ-Lτ symmetry (2020)
  • Author(s): J.Sato
  • Organizer: International Conference on Neutrinos and Dark Matter (NDM-2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] COMET Data Analysis with Deep Learning (2020)
  • Author(s): J.Sato
  • Organizer: Machine Learning at LHC
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] IceCube Gap and L_mu-L_tau model (2020)
  • Author(s): J.Sato
  • Organizer: Ryukyu Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 原子軌道上のミューオン崩壊における高次補正の効果 (2020)
  • Author(s): 平良優奈
  • Organizer: 日本物理学会 2020年 年次大会 素粒子論領域
• [Presentation] Big-bang nucleosynthesis and Leptogenesis in CMSSM (2019)
  • Author(s): J.Sato
  • Organizer: 15th Computational Chemistry (CC) Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Big-bang nucleosynthesis and Leptogenesis in CMSSM (2019)
  • Author(s): J.Sato
  • Organizer: Dark Side of the Universe 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Theoretical overview of Lepton Flavor Violation (2019)
  • Author(s): J.Sato
  • Organizer: The 3rd J-PARC Symposium (J-PARC2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] COMET Data Analysis with Deep Learning (2019)
  • Author(s): 佐藤丈
  • Organizer: 「ニュートリノで拓く素粒子と宇宙」研究会2019
• [Presentation] 深層学習による COMET 実験データ解析 (2019)
  • Author(s): 佐藤丈
  • Organizer: 素粒子物理学の進展 2019
  • Invited
• [Presentation] 深層学習による COMET 実験データ解析の試み (2019)
  • Author(s): 佐藤丈
  • Organizer: 素粒子現象論研究会2019
  • Invited
• [Presentation] 深層学習によるCOMET実験データ解析の試み (2019)
  • Author(s): 佐藤丈
  • Organizer: 日本物理学会 2019年 年次大会
• [Presentation] レプトンと弱結合するMeVスケールのゲージ粒子の物理とその検証可能性 (2018)
  • Author(s): 下村崇
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
  • Invited
• [Presentation] Light Z' boson search from scalar boson decays in Lμ - Lτ model at collider experiments (2018)
  • Author(s): 下村崇
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] Search for light scalar boson in Lμ - Lτ model at ILC experiments (2018)
  • Author(s): Takashi Shimomura
  • Organizer: 基研研究会 素粒子物理学の進展２０１８
• [Presentation] Light Z' boson from scalar boson decay at collider experiments in U(1)Lμ-Lτ model (2018)
  • Author(s): Takashi Shimomura
  • Organizer: Asian Linear Collider Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高エネルギー宇宙ニュートリノから探る新物理 (2018)
  • Author(s): 荒木威
  • Organizer: 久保治助教授退官記念研究会
• [Presentation] Big-bang nucleosynthesis and Leptogenesis in CMSSM (2018)
  • Author(s): Joe Sato
  • Organizer: 26th International Conference on Supersymmetry and Unification of Fundamental Interactions
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Distinguishing muon LFV effective couplings using μ^e^－→e^－e^－ in a muonic atom (2018)
  • Author(s): Joe Sato
  • Organizer: The 20th International Workshop on Neutrinos from Accelerators
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Physics with Muon (2018)
  • Author(s): Joe Sato
  • Organizer: Symposium for muon and neutrino physics 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] COMET実験における電子のエネルギーの深層学習による決定 (2018)
  • Author(s): 佐藤丈
  • Organizer: 第二回琉球大学計算科学シンポジウム：“量子論の物理・化学的アプローチで迫る物質・自然界の謎”
  • Invited