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: 法政大学 (2023); 横浜国立大学 (2022)
• 研究代表者: 山中 真人 法政大学, 理工学部, 助手 (70585992)
• 研究分担者: 佐藤 丈 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (60322294)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023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 / ミューオン / 真ミューオニウム / 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

本課題はレプトンフレーバー非保存過程をプローブとして、根源的素粒子模型の検証を目指しています。2022年度、海クォーク数の保存、及び、海クォーク質量を取り入れたレプトンフレーバーを破る深非弾性散乱断面積の定式化を行ない、論文の形で成果を発表しました。2023年度は、この成果を基に、加速器実験におけるレプトンフレーバー非保存深非弾性散乱測定から、どういった観測量を通じて、どのパラメーターを探り出せるかを検討しました。レプトンフレーバーの破れをもたらす演算子がスカラー型か、グルーオンを介した演算子か、フォトン双極子型演算子かを判別できる特徴的観測量を見出したことにより、レプトンフレーバー非保存演算子に対する探査力は大幅に高まりました。また、レプトンフレーバー非保存演算子を擁する代表的素粒子模型を例に、加速器実験におけるレプトンフレーバー非保存深非弾性散乱のシグナル数を評価し、近未来の実験における検証可能性の高さを定量的に示しました。これらの成果は国際研究会等で何度か発表を行なっており、その際に交わされた議論・質問なども取り入れながら、近々論文として発表予定です。

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

2023年度、加速器実験におけるレプトンフレーバー非保存深非弾性散乱の特徴的シグナルの検討、及び、その反応率算出を行ないました。これは、本課題の目的であるレプトンフレーバー非保存演算子の特定に対し、重要かつ新規的成果となります。また、2023年度、真ミューオニウムに注目したレプトンフレーバーを破る新奇過程の探索に着手しました。レプトンフレーバー非保存演算子は、数多くのレプトンフレーバー非保存過程を検証し、その性質を明らかにすることができます。そういった事情を鑑みると、この新奇過程の考案、並びに、反応率算出は分野全体にとって価値ある進展となります。

今後の研究の推進方策

[研究実績の概要]に記した成果を早急にまとめあげ、論文の形で発表します。また、それと並行し、ミューオン原子内におけるミューオンの放射性崩壊（μ-->e+γ）、及び、上述の真ミューオニウムを起点とするレプトンフレーバー非保存過程の研究を進めます。これらの成果を組み合わせることで、より確かな精度でレプトンフレーバー非保存演算子の特定、並びに、その大きさの決定を目指します。

研究成果

• [国際共同研究] Montpellier University(フランス)
• [雑誌論文] Model building by coset space dimensional reduction scheme using eight-dimensional coset spaces (2023)
  • 著者名/発表者名: Asai Kento、Sato Joe、Suda Ryosuke、Takanishi Yasutaka、Yang Masaki J. S.
  • 雑誌名: Journal of High Energy Physics 巻: 2023 号: 11
  • DOI: 10.1007/jhep11(2023)213
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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
• [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] Revisit the relic density of Higgs-portal dark matter (2024)
  • 著者名/発表者名: M. Yamanaka
  • 学会等名: What is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter
  • 国際学会
• [学会発表] SO(10)×U(1)_A大統一理論における熱的レプトン数生成 (2024)
  • 著者名/発表者名: 柴田啓伊, 前川展祐, 山中真人
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] Search for μ^- --> e^- and μ^- --> e^+ in muonic atoms (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Yamanaka
  • 学会等名: 40th COMET Collaboration Meeting & Integration Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Charged lepton flavor violation for a probe to the neutrino masses and their hierarchy (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Yamanaka
  • 学会等名: The 24th International Workshop on Neutrinos from Accelerators (NuFACT 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Impact of Higgsplosion on relic density of dark matter (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Yamanaka
  • 学会等名: International Conference on Particle Physics and Cosmology
  • 国際学会
• [学会発表] Revisit the relic density of Higgs-portal dark matter (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Yamanaka
  • 学会等名: KEK Theory Meeting on Particle Physics Phenomenology (KEK-PH2023)
  • 国際学会
• [学会発表] 軌道ミューオンのμ- → e-γ崩壊を用いた2光子有効相互作用探索 (2023)
  • 著者名/発表者名: 上坂優一, Sacha Davidson, 久野良孝, 山中真人
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] Asymmetric Mediator in Scotogenic Model (2023)
  • 著者名/発表者名: J. Sato
  • 学会等名: The Dark Side of the Universe 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Asymmetric Mediator in Scotogenic Model (2023)
  • 著者名/発表者名: J. Sato
  • 学会等名: KEK Theory Meeting on Particle Physics Phenomenology (KEK-PH2023)
  • 国際学会
• [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