[論文レビュー] How long does the hydrogen atom live?

David McKeen, Maxim Pospelov|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2020

Various Chemistry Research Topics被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、陽子が安定であっても、数百keVの光子を放出することで原子水素が放射性に崩壊する可能性を調査している。ボレキノの検出器データを用いて、水素の寿命に対する上限を $ sim10^{30} \text{s}$ として導出し、中性子-ダークバリオン混合を含むモデルを制約するとともに、標準模型を超える新しい物理の直接的なプローブを提供する。

ABSTRACT

It is possible that the proton is stable while atomic hydrogen is not. This is the case in models with new particles carrying baryon number which are light enough to be stable themselves but heavy enough so that proton decay is kinematically blocked. Models of new physics that explain the neutron lifetime anomaly generically have this feature, allowing for atomic hydrogen to decay through electron capture on a proton. We calculate the radiative hydrogen decay rate involving the emission of a few hundred keV photon, which makes this process detectable in experiment. In particular, we show that the low energy part of the Borexino spectrum is sensitive to radiative hydrogen decay, and turn this into a limit on the hydrogen lifetime of order $10^{30}~ m s$ or stronger. For models where the neutron mixes with a dark baryon, $χ$, this limits the mixing angle to roughly $10^{-11}$, restricting the $n oχγ$ branching to $10^{-4}$, over a wide range of parameter space.

研究の動機と目的

• 陽子が安定であっても、新しい軽いバリオン数保存粒子を含むモデルにおいて、原子水素が崩壊しうるかどうかを調査すること。
• 中性子寿命の不一致および中性子がダークフェルミオン $\chi$ と混合するダークマター・モデルの影響を検討すること。
• 既存のデータで検出可能な放射性崩壊モードを用いて、水素崩壊の実験的制限を導出すること。
• 新しい物理のシナリオにおいて、水素の安定性と陽子の安定性が分離可能であるという仮説を検証すること。
• ボレキノ検出器の低エネルギースペクトルを用いて、水素崩壊に対する直接的かつモデルに依存しない制限を提供すること。

提案手法

• 光子エネルギー $Q \sim 300\,\text{keV}$ を持つ、$\rm H \to X\gamma$ の放射遷移による水素崩壊のモデル化。ここで $X$ は軽い見えない粒子である。
• 次元6のオペレーターを含む有効場理論（EFT）アプローチを用い、$qqq\chi$ および $\bar{e}^c p \phi$ を含む項を記述し、$\rm H \to \phi\gamma$ を導出する。
• フェルミの黄金律を用いて崩壊率 $\Gamma_{\rm H\to\phi\gamma} \propto |\psi(0)|^2 \alpha \lambda^2 Q / m_e^2 M$ を計算し、$\psi(0)$ は核における電子波動関数の値である。
• 予測された光子スペクトルを、特に $\sim200\,\text{keV}$ のしきい値領域におけるボレキノの低エネルギーデータと比較する。
• ボレキノのデータに観測信号が存在しないことから、中性子-$\chi$ 混合モデルにおける混合角 $\theta$ の上限を導出する。
• 宇宙論的制限および $^{14}\rm C$ 背景測定を用いて、代替の崩壊チャネルを検証し、境界を設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新しい物理が軽いバリオン数保存粒子を含む場合、陽子が安定であっても原子水素が崩壊しうるか？
• RQ2 ボレキノのような既存の低エネルギー検出器で、水素の放射性崩壊の検出可能なシグナルは何か？
• RQ3 ボレキノのデータからの水素崩壊制限は、宇宙論的限界や他の実験的限界と比べてどうか？
• RQ4 中性子寿命の不一致はどの程度まで中性子-$\chi$ 混合モデルで説明可能であり、その結果として得られる $\theta$ の制限は何か？
• RQ5 質量が陽子に近い安定なダークバリオン $\chi$ を持つダークマター・モデルにおいて、どのような意味を持つのか？

主な発見

• ボレキノ実験は、$\sim200\,\text{keV}$ の光子エネルギー窓に信号が観測されなかったことから、水素寿命の90%信頼水準での上限を $\tau_{\rm H} \gtrsim 10^{30}\,\text{s}$ として設定した。
• 中性子-$\chi$ 混合モデルにおいて、混合角は $\theta \lesssim 10^{-11}$ に制限され、パラメータ空間の広い範囲で $n\to\chi\gamma$ の分岐比は $10^{-4}$ 未満である。
• 放射性水素崩壊率の上限は、$^{14}\rm C$ 背景との保守的な比較から $\text{Br}_{\rm H\to X\gamma} \times \tau_{\rm H}^{-1} < 10^{-29}\,\text{s}^{-1}$ として導出された。
• ボレキノの制限は、同様の観測量について、宇宙論的限界（最大で $10^{-24}\,\text{s}^{-1}$）よりも顕著に強く、優位である。
• $\bar{e}^c p$ に結合するダークスカラー $\phi$ を含むモデルは、支配的光子放出により強く制限され、$\tau_{\rm H} \gtrsim 10^{28}\,\text{yr}$ が得られた。
• 放射性崩壊モードは、$^{11}\rm Be$ や他の核における探索とは異なり、核の媒体効果の複雑さが生じないため、中性子-$\chi$ 混合の直接的プローブを提供する。