ヒッグス粒子: 次の新しい物理学の隠れた谷へのパスポート

核物理学研究所PANによる2023年5月23日

ポーランド科学アカデミー核物理研究所の科学者らは、「ヒドゥン・バレー」モデルによると、ヒッグス粒子がエキゾチックな粒子への崩壊を介して「新しい物理学」と相互作用する可能性があると提案している。 これらのモデルは、将来の粒子加速器がこのエキゾチックな崩壊を観察し、現在の標準モデルを超えた新しい物理学を理解するための道を開く可能性があることを示唆しています。

もしかしたら、素粒子の塊の存在に共同責任を持つ有名なヒッグス粒子も、数十年にわたって探求されてきた新しい物理学の世界と相互作用しているのかもしれません。 もしこれが事実であるならば、ヒッグス粒子はエキゾチックな粒子を伴う特徴的な方法で崩壊するはずである。 クラクフにあるポーランド科学アカデミーの核物理研究所では、そのような崩壊が実際に起こった場合、現在設計中のLHCの後継機で観測可能であることが示された。

「隠された谷」について話すとき、私たちは健全な科学ではなくドラゴンについて最初に考えます。 ただし、高エネルギー物理学では、この絵のような名前は、現在知られている素粒子のセットを拡張する特定のモデルに付けられます。 これらのいわゆるHidden Valleyモデルでは、標準モデルで記述される私たちの世界の粒子は低エネルギーグループに属し、エキゾチックな粒子は高エネルギー領域に隠されています。 理論的考察は、有名なヒッグス粒子のエキゾチックな崩壊を示唆していますが、これは長年の探索にもかかわらずLHC加速器では観察されていませんでした。 しかし、クラクフにあるポーランド科学アカデミー核物理研究所（IFJ PAN）の科学者らは、ヒッグス崩壊によるエキゾチック粒子は、ヒドゥン・バレー・モデルが転換すれば、大型ハドロン衝突型加速器の後継となる加速器ですでに完全に観測できるはずだと主張している。現実と一致するように。

「Hidden Valley モデルでは、エネルギー障壁によって分離された 2 つの粒子グループがあります。理論では、特定の状況下でこの障壁を越える可能性のあるエキゾチックな大質量粒子が存在する可能性があります。ヒッグス粒子や仮説上の Z' 粒子のような粒子は、次のように機能します。 「両方の世界の粒子間の通信手段です。標準模型の最も重い粒子の 1 つであるヒッグス粒子は、そのような通信手段の非常に良い候補です」と論文の主著者である Marcin Kucharczyk 教授 (IFJ PAN) は説明します。 Journal of High Energy Physics では、将来のレプトン加速器でヒッグス粒子崩壊を検出できる可能性に関する最新の分析とシミュレーションが紹介されています。

通信者は、低エネルギー領域に入った後、2 つのかなり大きなエキゾチックな粒子に崩壊します。 これらのそれぞれは、ピコ秒、つまり 1 兆分の 1 秒以内に、さらに小さな質量を持つ別の 2 つの粒子に崩壊し、標準模型の範囲内に収まります。 それでは、将来の加速器の検出器にはどのような兆候が予想されるのでしょうか? ヒッグス自体は、2 つの隠れた谷の粒子と同様に、気づかれないままになります。 しかし、エキゾチックな粒子は徐々に発散し、最終的には崩壊し、一般に、粒子のジェットがレプトンビームの軸からずれたときに現代の検出器で見えるクォークと反クォークの美しいペアになります。

将来のレプトン衝突型加速器でのエキゾチックなヒッグス粒子の崩壊の探索: 1) 対向するビームからの電子と陽電子が衝突する。 2) 衝突により高エネルギーのヒッグス粒子が生成される。 3) ボソンはビームの軸から離れていく 2 つのエキゾチックな粒子に崩壊します。 4) エキゾチック粒子はクォークと反クォークのペアに崩壊し、検出器で見ることができます。 クレジット: IFJ PAN

「したがって、ヒッグス粒子の崩壊の観測は、クォークと反クォークのペアによって生成される粒子のジェットを探すことからなる。その後、エキゾチックな粒子が崩壊した可能性がある場所を見つけるために、その軌跡を遡及的に再構築する必要がある。これらの場所は専門的に呼ばれる」 「崩壊頂点はペアで現れ、加速器内で衝突するビームの軸に対して特徴的にシフトしているはずです。これらのシフトの大きさは、とりわけ、ヒッグス崩壊中に現れるエキゾチック粒子の質量と平均寿命に依存します。」修士号のマテウシュ・ゴンサーツ氏は言う。 (IFJ PAN)、問題の論文の共著者。

現在世界最大の粒子加速器である LHC での陽子の衝突エネルギーは数テラ電子ボルトに達し、理論的には私たちの世界と隠れた谷を隔てるエネルギー障壁を越えることができるヒッグスを生成するのに十分です。 残念ながら、陽子は素粒子ではありません。陽子は強い相互作用で結合した 3 つの価電子クォークで構成されており、クォークと反クォークのペアを含む、絶えず出現または消失する膨大な数の仮想粒子を生成することができます。 このような動的で複雑な内部構造は、陽子の衝突において、質量の大きなクォークや反クォークを含む膨大な数の二次粒子を生成します。 それらは、探し求められているエキゾチックなヒッグス粒子崩壊からの粒子を見つけることが事実上不可能になる背景を形成します。

これらの状態へのヒッグス崩壊の可能性の検出は、LHC の後継として設計されている加速器、CLIC (Compact Linear Collider) と FCC (Future Circular Collider) によって根本的に改善されるはずです。 どちらのデバイスでも、電子を反物質パートナーである陽電子と衝突させることが可能になります（CLIC はこの種の衝突専用であり、FCC では陽子と重イオンの衝突も可能です）。 電子と陽電子には内部構造がないため、エキゾチックなヒッグス粒子の崩壊のバックグラウンドは LHC よりも弱いはずです。 貴重な信号を識別するだけで十分なのでしょうか?

研究では、IFJ PAN の物理学者は、CLIC および FCC 加速器の最も重要なパラメーターを考慮に入れ、4 つのビューティー クォークと反クォークの形で最終状態を持つエキゾチック ヒッグス崩壊の確率を決定しました。 予測がより広範なモデルのグループを確実にカバーするように、エキゾチック粒子の質量と平均寿命は、適切に広い範囲の値にわたって考慮されました。 結論は驚くほど肯定的です。すべての兆候は、将来の電子陽電子衝突型加速器では、エキゾチックなヒッグス崩壊のバックグラウンドがさらに根本的に、数桁減少する可能性があり、場合によっては無視できるとさえ考えられるということです。

粒子コミュニケーターの存在は、Hidden Valley モデルだけでなく、標準モデルの他の拡張でも可能です。 したがって、将来の加速器の検出器が、クラクフの研究者が分析したヒッグス崩壊に対応する兆候を記録したとしても、これは新しい物理学を理解するための第一歩にすぎません。 次は、十分な数の事象を収集し、新しい物理学の理論モデルの予測と比較できる主要な崩壊パラメータを決定することです。

「したがって、私たちの研究の主な結論は純粋に実用的です。ヒッグス粒子の崩壊に関与する新しい物理粒子が、私たちが使用したヒドゥンバレーモデルに属するかどうかはわかりません。しかし、私たちはこのモデルを他の多くの提案の代表として扱ってきました。新しい物理学を発見し、モデルの予測通りヒッグス粒子がエキゾチックな粒子に崩壊する場合、この現象は近い将来打ち上げられる予定の電子および陽電子衝突型加速器で完全に見えるはずであることを示した」とクチャルチック教授は結論付けた。 。

参考文献: Marcin Kucharczyk および Mateusz Goncerz 著、「CLIC での最終状態のジェット対によるヒッグス粒子へのエキゾチックな崩壊の探索」、2023 年 3 月 17 日、Journal of High Energy Physics.DOI: 10.1007/JHEP03(2023) )131

問題の研究は、ポーランド国立科学センターからの OPUS 助成金によって資金提供されました。