原子核を用いたレプトンフレーバー非保存過程で探る根源的素粒子模型

• 研究課題/領域番号: 22K03638
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分15010:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する理論
• 研究機関: 横浜国立大学
• 研究代表者: 山中 真人 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 非常勤教員 (70585992)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2025年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
• キーワード: レプトンフレーバーの破れ / 深非弾性散乱 / 標準模型を超える素粒子模型 / ヒッグス粒子 / ミューオン-電子転換 / 標準模型を超える新物理

研究開始時の研究の概要

素粒子標準模型を超える新模型として、トップクォークやタウレプトンといった第3世代粒子と強く繋がる模型が盛んに論じられている。LHCや暗黒物質検出実験だけではこういった模型のパラメーター空間を“張る”だけの独立な測定値は得られない。そこで、実験探索が今後活発化するレプトンフレーバーの破れ(LFV)に注目する。本研究では、現実的パートン描像やミューオン原子内部の波動関数構築を精確に組み入れながら、LFVを伴う深非弾性散乱やミューオン原子内にて起こるLFV過程を丁寧に定式化・考察し、第3世代粒子と強く繋がる模型の検証手段として確立させる。

研究実績の概要

本研究課題はレプトンフレーバー非保存過程探索による根源的模型の検証・確立を目的としている。第3世代粒子と主に相互作用する模型がもたらすレプトンフレーバー非保存過程は、模型パラメーターと実験測定量を精度良い接続がまだ十分には整っておらず、本課題はこの打開に特に重きを置く。
現在、電子（またはミューオン）と核子の深非弾性散乱に注目し、研究を遂行している。第3世代粒子と主に相互作用する模型における深非弾性散乱は、終状態にトップクォークやボトムクォークが入った素過程を組み入れ、散乱断面積を定式化する必要がある。素過程の具体例を記すと、e+g --> \tau+b+bbarなどである。終状態エネルギー閾値に近いエネルギーの場合、この素過程で適切に断面積を記述できる。ところが、閾値を大きく上回るエネルギーの場合、この素過程断面積にはエネルギー増大に伴う発散量が現れる。この発散量を繰り込みながらトップやボトムのパートン分布関数は作られる。そこで、閾値を大きく上回るエネルギー領域では、このパートン分布関数と共に、e+b --> \tau+bといった素過程で深非弾性散乱を描写しなくてはならない。そして、エネルギーが閾値から近過ぎず遠過ぎずといった領域では、上述の両方の素過程を二重数えすることなく取り込まなくてはならない。
先行研究にて、フォトンを媒介粒子とし、レプトンフレーバーが保存する深非弾性散乱の断面積定式化において、上述の問題を解決すべくACOT処方という手法が考案された。今年度発表した論文（JHEP 04 (2022), 044）では、この手法を参考に、(擬)スカラー粒子を媒介粒子とし、レプトンフレーバーの破れを伴う深非弾性散乱の断面積定式化を行なった。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究実績の概要に記したように、今年度発表した論文において、第3世代クォークの生成を伴うレプトンフレーバー非保存深非弾性散乱の断面積定式化を行なった。さらに、同研究にて、終状態運動量分布や媒介粒子質量依存性などを丁寧に解析した。こういった成果により、レプトンフレーバー非保存深非弾性散乱の実験測定量から得られる根源的模型の情報量・精度が大きく向上した。

今後の研究の推進方策

レプトンフレーバーの破れを伴う深非弾性散乱の測定量と、他のレプトンフレーバー非保存過程を繋ぎ合わせ、根源的模型のどのパラメーターをどこまでの精度で実証できるか調べ上げる。さらに、この実証精度の向上を狙い、新奇的レプトンフレーバー非保存過程（レプトンフレーバーの破れを伴うミューオン原子の放射性崩壊の定式化・実験測定量の検討を進める。現在、ミューオン-電子-フォトン-フォトンという有効演算子を用いて、本過程の反応率定式化を進めている。

研究成果

• [雑誌論文] Charged lepton flavor violation associated with heavy quark production in deep inelastic lepton-nucleon scattering via scalar exchange (2022)
  • 著者名/発表者名: Kiyo Yuichiro、Takeuchi Michihisa、Uesaka Yuichi、Yamanaka Masato
  • 雑誌名: Journal of High Energy Physics 巻: 2022 号: 4 ページ: 1-37
  • DOI: 10.1007/jhep04(2022)044
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Asymmetric Mediator in Scotogenic Model (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Asai, Y. Sakai, J. Sato, Y. Takanishi, M. Yamanaka
  • 雑誌名: Physics Letters B 巻: 836 ページ: 137627-137627
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2022.137627
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] レプトンフレーバーの破れを伴う深非弾性散乱の断面積定式化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山中真人
  • 学会等名: 素粒子現象論研究会2022
  • 招待講演
• [学会発表] Search for lepton flavor violation at the Subaru Telescope (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Yamanaka
  • 学会等名: 2nd workshop: Multimessenger Study of Heavy Dark Matter
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] レプトンフレーバーを破るレプトン-核子散乱の高精度定式化による新物理探索 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山中真人, 清裕一郎, 竹内道久, 上坂優一
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] Thermal relic density of super heavy dark matter (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Yamanaka
  • 学会等名: The 8th Quantum Science symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Charged lepton flavor violation for a probe to the origin of neutrino mass (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Yamanaka
  • 学会等名: Exploration of Particle Physics and Cosmology with Neutrino
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] レプトンフレーバーを破るレプトン-核子散乱の高精度定式化による新物理探索 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山中真人
  • 学会等名: Flavor Physics Workshop 2022
• [学会発表] レプトンフレーバー非保存深非弾性散乱の再定式化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山中真人
  • 学会等名: MIE Meeting of Quantum Science 2022
  • 招待講演
• [学会発表] Lepton flavor violating deep-inelastic scattering by (pseudo-)scalar mediator (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Yamanaka
  • 学会等名: KEK Theory Meeting on Particle Physics Phenomenology (KEK-PH2022)
  • 国際学会
• [図書] Quantum Science: The Frontier of Physics and Chemistry (2022)
  • 著者名/発表者名: D. Che, Y. Haga, M. Hedo, T. Kasai, V. K. Khersonsky, K. Lin, J. M. L. Martin, B. Muthiah, T. Nakama, M. Nakamura, T. Onishi, Y. Onuki, E. V. Orlenko, F. E. Orlenko, F. Palazzetti, J. Sato, R. Settai, Y. Takanishi, T. Takeuchi, P. Tsai, M. Yamanaka
  • 総ページ数: 522
  • 出版者: Springer
  • ISBN: 9811944202