[論文レビュー] Electron Decay

T. Pradhan|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2003

Quantum Mechanics and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、超強力な力によって結合する基本スピン-1/2フェルミオンとスカラー粒子の束縛状態として、電子、ニュートリノ、光子の複合モデルを提案する。基本フェルミオンの質量に対して10²² GeVの下限を導出し、電荷保存の破れによる電子崩壊を予測する。その寿命は2.7×10²³年を超えるものであり、プランクスケールのエネルギーで複合性が現れる可能性を示唆する。

ABSTRACT

The electron would decay into a photon and neutrino if the law of electric charge conservation is not respected. Such a decay would cause vacancy in closed shells of atoms giving rise to emission of x-rays and Auger electrons. Experimental searches for such very rare decay have given an estimate for the life time to be greater than $2.7 imes 10^{23}$ years. The simplest theoretical model which would give rise to such a decay is one where the electron is regarded as the first excited state and neutrino as the ground state of a fundamental spin 1/2 particle bound to a scalar particle by a super strong force and the photon is considered as a bound state of a fundamental spin 1/2 fermion-antifermion pair. The fine structure constant of the super strong coupling is found to be unity from the masslessness of the neutrino and the lower bound of the mass of the fundamental particles is estimated by using quantum mechanical formula for photon emission by atoms and found to be $10^{22}$ GeV from the bound for electron decay time indicating thereby that the composite nature of electron, neutrino and the photon would be revealed in the Planckian energy regime. A model based on extension of $SU(2)\otimes SU(2)$ symmetry of Dirac equation to $SU(3)\otimes SU(3)$ gives a lower bound for the mass of the gauge boson mediating the decay to be $10^9 GeV$ which is the geometric mean of the masses of the electron and the fundamental particles.

研究の動機と目的

• 電子が超強力な力で結合する基本フェルミオンの複合状態である可能性を検討すること。
• 実験的観測で電子崩壊が確認されていない理由を、電子崩壊寿命の下限を導出することで説明すること。
• 量子力学的光子放出モデルを通じて、観測された電子の安定性と基本粒子の質量スケールを結びつけること。
• ディラック方程式のSU(2)⊗SU(2)対称性をSU(3)⊗SU(3)に拡張し、崩壊を媒介するゲージボソンの質量を制約すること。

提案手法

• 電子をスピン-1/2粒子とスカラーとの間に働く超強力な力で束縛された系の第一励起状態、ニュートリノを基底状態としてモデル化する。
• 光子をフェルミオン-反フェルミオン対の束縛状態とみなす。ここで構造定数は1に設定される。
• 原子遷移の量子力学的公式を応用し、X線およびアウガー電子放出による電子崩壊率を推定する。
• 観測された電子寿命の下限（2.7×10²³年）を用いて、基本フェルミオンの質量を制約する。
• ディラック方程式のSU(2)⊗SU(2)対称性をSU(3)⊗SU(3)に拡張し、崩壊過程のゲージボソン質量を導出する。
• ゲージボソン質量を電子質量と基本フェルミオン質量の幾何平均として計算し、10⁹ GeVの値を得る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子の観測された安定性は、超強力に束縛されたフェルミオン-スカラー系を含む複合構造によって説明可能か？
• RQ2 電荷保存の破れを介した電子崩壊が生じる場合、基本フェルミオンの最小質量スケールはどの程度か？
• RQ3 観測された電子寿命の下限は、この複合モデルにおける基本構成粒子の質量にどのように制約を加えるか？
• RQ4 SU(3)⊗SU(3)対称性の拡張は、崩壊を媒介するゲージボソンの質量を予測するために果たす役割は何か？
• RQ5 この枠組み内で、光子を基本フェルミオン-反フェルミオン対の束縛状態として一貫して記述できるか？

主な発見

• 実験的探索に基づき、電子崩壊寿命は2.7×10²³年以上であると制約されている。
• 原子の脱励起に関する量子力学的モデルを用いて、基本フェルミオン質量は10²² GeVと推定される。
• 超強力な力の構造定数は1に達することが判明し、ニュートリノの質量がゼロであることに整合する。
• SU(3)⊗SU(3)の拡張により、ゲージボソン質量は10⁹ GeVに達する。これは電子質量と基本フェルミオン質量の幾何平均に一致する。
• このモデルは、電子、ニュートリノ、光子の複合性が、プランクスケールのエネルギーでしか現れないことを示唆する。
• このモデルは、電荷保存の破れ、複合性、高エネルギー対称性の拡張を結びつける理論的枠組みを提供する。