[論文レビュー] Detecting Majorana nature of neutrinos in muon and tau decay

Takeshi Fukuyama, Koji Tsumura|ArXiv.org|Sep 30, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ニュートリノのマヨラナ性が、ヒッグストリプレットモデル（HTM）におけるミューオン崩壊（$\mu \to e\nu\bar{\nu}$）および $\mu \to e\gamma$ の高精度測定を通じて検出可能であると提案している。ニュートリノのマヨラナ性に起因するWボソンと励起したヒッグスボソンの図の干渉により、ミューオン崩壊率に検出可能なずれが生じる。このずれは数 × $10^{-4}\%$ に達し、正規化効果が存在するが、今後の高精度実験で測定可能である可能性がある。

ABSTRACT

The Majorana nature of neutrinos can be detected by the precise measurement of muon decay. This possibility comes from the presence of charged Higgs boson interaction for Majorana neutrinos. We study the effects of the neutrino Yukawa interaction via charged Higgs bosons in muon decay processes such as $μ o eν\barν$ and $μ o eγ$. The Higgs triplet model with small vacuum expectation value is of special importance whose neutrino Yukawa coupling can affect significantly muon decays. External neutrino lines in the Feynman diagrams of $μ o eν\barν$ can be crossed because of its Majorana nature. This fact provides the interference contribution between the W boson exchange diagram and that of charged Higgs boson, which may be detectable in near future experiments.

研究の動機と目的

• ニュートリノのマヨラナ性が、ニュートリノ質量数の二重ベータ崩壊に依存しない方法で、希少ミューオン崩壊を通じて探査可能かどうかを調査すること。
• 低エネルギー過程、たとえば $\mu \to e\nu\bar{\nu}$ および $\mu \to e\gamma$ におけるマヨラナニュートリノ効果の検出可能性を評価すること。
• 大きなニュートリノヤコビ係数を有する場合に、観測可能なずれを実現するための二ヒッグスダブルレットモデル（THDM）とヒッグストリプレットモデル（HTM）の感度を比較すること。
• 同じ干渉効果を用いて、タウレプトン崩壊（$\tau \to \ell N\bar{N}$）における有効ニュートリノ質量の測定可能性を検討すること。

提案手法

• ヒッグストリプレットモデル（HTM）におけるミューオン崩壊振幅を分析し、Wボソン交換図と励起したヒッグスボソン交換図の干渉に注目する。
• 励起したヒッグスボソンの寄与とニュートリノマヨラナ干渉を含めた修正されたミューオン崩壊率 $\Gamma(\mu \to e\nu\bar{\nu})$ を導出する。
• 測定可能なパラメータで表される有効ニュートリノ質量 $\langle m_\nu \rangle_{\mu e} = \sum_j m_{\nu j} U_{\mu j}^* U_{ej}$ を用いて、干渉項を表現する。
• 小さな真空期待値 $v_\nu \ll v$ を持つ二ヒッグスダブルレットモデル（THDM）における効果と比較する。この場合、信号は小さすぎて検出不能である。
• $\mu \to ee\bar{e}$ および $\mu \to e\gamma$ からの実験的制限を用いて、トリプレットの真空期待値 $v_\Delta$ と励起したヒッグスボソン質量 $m_{\Delta^{\pm}}$ を制約する。
• 予想されるずれを現在および予想される実験精度（約 $10^{-3}\%$）と比較することで、信号の検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミューオン崩壊過程、たとえば $\mu \to e\nu\bar{\nu}$ および $\mu \to e\gamma$ の高精度測定を通じて、ニュートリノのマヨラナ性を検出可能か？
• RQ2 ヒッグストリプレットモデルにおける、Wボソンと励起したヒッグスボソンの図の干渉によって生じるミューオン崩壊率のずれの大きさはどの程度か？
• RQ3 なぜヒッグストリプレットモデルでは信号が顕著であるのに対し、小さな $v_\nu$ を持つ二ヒッグスダブルレットモデルでは信号が無視できるほど小さいのか？
• RQ4 同様の干渉効果を用いて、$\tau \to \ell N\bar{N}$ 崩壊を通じてタウレプトンにおける有効ニュートリノ質量をプローブ可能か？
• RQ5 信号が $G_F$ の正規化に強く依存せず、SMの寄与から分離可能か？

主な発見

• ヒッグストリプレットモデルでは、標準模型（SM）予測からのミューオン崩壊率 $\Gamma(\mu \to e\nu\bar{\nu})$ のずれが数 × $10^{-4}\%$ に達し、今後の高精度実験で検出可能である可能性がある。
• Wボソンと励起したヒッグスボソンの図の干渉が、マヨラナ性に起因する観測可能な信号の主要因である。
• 小さな $v_\nu$ を持つ二ヒッグスダブルレットモデルでは、信号が $v_\nu/v \ll 1$ で抑制され、現在および近い将来の実験感度では検出不能である。
• ヒッグストリプレットモデルでは大きなニュートリノヤコビ係数が許容されるが、$\mu \to ee\bar{e}$ の非観測から、$m_{\nu} \sim 0.05\text{eV}$ および $m_{\Delta^{\pm\pm}} \sim 100\text{GeV}$ の場合に $v_\Delta \gtrsim 70\text{eV}$ の下限が得られる。
• 有効ニュートリノ質量 $\langle m_\nu \rangle_{\mu e}$ が干渉項に現れ、観測可能な崩壊率とニュートリノ質量行列の直接的な関係を提供する。
• タウレプトン崩壊、たとえば $\tau \to \ell N\bar{N}$ は、レプトンフラバー不変破れの実験的制限がゆるいことから、ミューオン崩壊よりも大きなずれを示す可能性があり、マヨラナ性をプローブする補足的チャネルとなる。