[論文レビュー] A possible shortcut for neutron--antineutron oscillation

Zurab Berezhiani|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2020

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、仮説的な鏡ニュートロン（n′）および反鏡ニュートロン（ύbar′）状態を介して媒介されるニュートロン-反ニュートロン（n–ύbar）遷移の新しいメカニズムを提案する。磁場が約1 mGの精度に調整されれば、標準的な境界に比べて著しく増大した遷移確率—最大で P_{n\bar n}(t) ≈ (t/0.1 ms)^4 × 10^{-8}—が実現可能となる。

ABSTRACT

Existing limits on the neutron-antineutron mass mixing imply a strict upper limit on $n - \bar n$ transition probability after a flight time $t$, $P_{n\bar n}(t) < (t/0.1 ~{ m s})^2 imes 10^{-18}$. In this letter we propose a new mechanism of $n- \bar n$ transition mediated via the neutron mixings with the hypothetical states of mirror neutron $n'$ and antineutron $\bar n'$. The existing limits allow $n-n'$ and $n-\bar n'$ mixings to be rather large, remarkably without any contradiction with the nuclear stability bounds. This opens up a possibility of $n-\bar n$ transition with the probability as large as $P_{n\bar n}(t) = P_{nn'}(t) P_{n\bar n'}(t) \sim (t/0.1 ~{ m s})^4 imes 10^{-8} $. For achieving so effective conversion of the neutron into the antineutron in real experiments the magnetic field should be properly tuned with the precision of 1 mG or so.

研究の動機と目的

• 直接的な n–ύbar 混合の厳しい既存の制約を回避する、ニュートロン-反ニュートロン遷移の新しいメカニズムを検討すること。
• 核の安定性の制約と整合するかを検討すること。
• このような混合作用が、実験的に検出可能なレベルまで著しく増大した n–ύbar 遷移確率をもたらすかどうかを特定すること。
• 特に磁場の調整という実験的条件が、この増大した遷移率を実現するために必要な条件であるかを同定すること。

提案手法

• 大きな n–n′ および n–ύbar′ 混合作用によって媒介される二段階遷移過程：n → n′ および n′ → ύbar を提案する。
• 既存の n–ύbar 質量混合作用に関する実験的制限を用いて、n–n′ および n–ύbar′ 混合作用の許容範囲を制約する。
• 遷移確率の公式 P_{n\bar n}(t) = P_{nn'}(t) P_{n\bar n'}(t) を用いて、有効な n–ύbar 遷移率を推定する。
• 中間状態の抑制にもかかわらず、二段階過程の遷移振幅が顕著に残るほど大きな混合作用を仮定する。
• 外部磁場がエネルギー準位を共鳴的に調整することで、遷移振幅を強化する役割を検討する。
• 磁場の精度が約1 mGに必要であり、これが最適共鳴状態を達成し、最大の遷移確率を実現する必要があることを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大きな n–n′ および n–ύbar′ 混合作用は、現在の核の安定性の制約および n–ύbar 遷移に関する実験的限界と整合するか？
• RQ2 二段階遷移 n → n′ → ύbar は、標準模型の制約を超えて n–ύbar 遷移を強化する実現可能な短絡的経路を提供するか？
• RQ3 このメカニズム下で達成可能な最大の n–ύbar 遷移確率は何か？時間に対してどのようにスケーリングするか？
• RQ4 特に磁場の調整という実験的条件が、増大した遷移率を実現するために必要となるか？

主な発見

• 提案されたメカニズムにより、n–ύbar 遷移確率は P_{n\bar n}(t) ≈ (t/0.1 ms)^4 × 10^{-8} に達し、標準的な境界 (t/0.1 ms)^2 × 10^{-18} に比べて顕著な増大が実現される。
• 大きな n–n′ および n–ύbar′ 混合作用は、現在の制約と整合する。これは、直接的に n–ύbar に結合する場合に核の安定性と矛盾する可能性があるが、本メカニズムではその問題が回避されるためである。
• 遷移率は時間の4乗に比例しており、標準的な2乗比例と比較して顕著な非線形的増大を示す。
• 約1 mGの精度での磁場調整による共鳴増幅が、最大の遷移確率を達成するために不可欠である。
• 外部場の適切な制御がなされれば、今後の実験で n–ύbar 遷移を検出するための理論的道筋が提供される。
• このモデルは、現在のニュートロン-反ニュートロン遷移および核の安定性に関するすべての実験的限界と整合性を保っている。