[論文レビュー] Inverse neutrinoless double beta decay (and other Delta L=2 processes)

David London|ArXiv.org|Jul 19, 1999

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、将来の衝突型加速器において、逆ニュートリノ0ベータ崩壊のようなレプトン数破れ過程、特にΔL = 2過程（例：e⁻e⁻ → W⁻W⁻およびμ⁻μ⁻ → W⁻W⁻）の検出可能性を検討している。e⁻e⁻ → W⁻W⁻は、√s ≳ 2 TeVでなければニュートリノ0ベータ崩壊の制約により観測不可能であるが、ミューオンニュートリノ質量に関する類似制約がないため、μ⁻μ⁻ → W⁻W⁻はより低いエネルギーで観測可能である可能性がある。

ABSTRACT

I review the prospects for the detection of Delta L=2 processes at future colliders. Except in contrived models, the process e- e- -> W- W- is unobservable at future linear colliders unless $\sqrt{s} \gsim 2$ TeV, due to constraints from neutrinoless double beta decay. As there are no analogous constraints on the Majorana mass of the $ν_μ$, mu- mu- -> W- W- could be observed at a muon collider with considerably lower $\sqrt{s}$. One can also consider esoteric processes such as gamma gamma -> mu+ mu+ W- W-. Such processes may be observable if $\sqrt{s} \gsim 4$ TeV.

研究の動機と目的

• 将来の線形およびミューオン衝突型加速器におけるΔL = 2過程、特に逆ニュートリノ0ベータ崩壊の検出可能性を評価すること。
• 現在のニュートリノ0ベータ崩壊の限界が、線形衝突型加速器におけるe⁻e⁻ → W⁻W⁻の観測に及ぼす制約を評価すること。
• ミューオン衝突型加速器が、電子衝突型加速器よりも低い中心系エネルギーでμ⁻μ⁻ → W⁻W⁻を観測可能にするかを検討すること。
• 高エネルギー衝突型加速器におけるγγ → μ⁺μ⁺W⁻W⁻のような特異的ΔL = 2過程の観測可能性を検討すること。
• 現実的なモデル制約下で、これらのレプトン数破れ過程を観測するために必要なエネルギー閾値を特定すること。

提案手法

• ニュートリノ0ベータ崩壊からの制約を、電子ニュートリノの有効メジャノネ質量に適用する。
• これらの制約を将来の線形衝突型加速器におけるe⁻e⁻ → W⁻W⁻過程に適用し、観測には√s ≳ 2 TeVが必要であることを示す。
• ミューオンニュートリノメジャノネ質量に関する類似制約の不在を考慮し、μ⁻μ⁻ → W⁻W⁻の低エネルギー観測が可能であることを示す。
• 高エネルギー衝突型加速器における高多重度過程（例：γγ → μ⁺μ⁺W⁻W⁻）の断面積と運動論的妥当性を評価する。
• 有効場理論的手法を用いて、レプトン数破れの文脈におけるΔL = 2相互作用をモデル化する。
• 利用可能な実験的制約に基づき、異なる加速器タイプ（電子対比ミューオン）のΔL = 2信号に対する感度を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ0ベータ崩壊の制約を踏まえると、線形衝突型加速器におけるe⁻e⁻ → W⁻W⁻の観測に必要な最小中心系エネルギーはどの程度か？
• RQ2 なぜμ⁻μ⁻ → W⁻W⁻過程は、e⁻e⁻ → W⁻W⁻よりも低いエネルギーで観測可能とされるのか？
• RQ3 γγ → μ⁺μ⁺W⁻W⁻のような特異的ΔL = 2過程の運動論的および断面積的制約は何か？
• RQ4 ニュートリノ0ベータ崩壊からの制限は、e⁻e⁻衝突におけるΔL = 2過程の観測可能性にどのように影響するか？
• RQ5 ミューオン衝突型加速器は、電子衝突型加速器よりもレプトン数破れ相互作用を調べる上でより好都合な環境を提供できるか？

主な発見

• e⁻e⁻ → W⁻W⁻過程は、ニュートリノ0ベータ崩壊による電子ニュートリノメジャノネ質量の厳密な制約のため、√s ≳ 2 TeVでなければ将来の線形衝突型加速器では観測不可能である。
• 一方、ミューオンニュートリノメジャノネ質量に関する類似制約がないため、ミューオン衝突型加速器では、はるかに低い中心系エネルギーでμ⁻μ⁻ → W⁻W⁻が観測可能である。
• γγ → μ⁺μ⁺W⁻W⁻のような特異的過程は、モデルパラメータや断面積に依存するが、√s ≳ 4 TeVで観測可能となる可能性がある。
• ミューオンニュートリノメジャノネ質量に対する強い制約がないことにより、低エネルギーでのμ⁻μ⁻ → W⁻W⁻の探索範囲が広がる。
• 本研究は、電子ベースの加速器では到達できない領域におけるレプトン数破れ物理学を探索する上で、ミューオン衝突型加速器の補完的役割を強調している。
• 結果から、特にミューオン衝突型加速器を含む将来の加速器が、基礎物理学が実現可能なエネルギースケールに達している場合、ΔL = 2過程を検証する実現可能な道筋を提供することが示唆される。