[論文レビュー] Lepton number violating muon decay and the LSND neutrino anomaly

K. S. Babu, Sandip Pakvasa|ArXiv.org|Apr 19, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、ステアリングニュートリノの異常をステアリングニュートリノを導入せずに説明できる、レプトン数を破壊するミューオン崩壊 μ⁺ → e⁺ + ν̄ₑ + ν̄ᵢ (i = e, μ, τ) を提案する。このメカニズムは、標準模型に二つの ΔL = 2 の有効作用素を含み、500 GeV未満の新しいスカラーを伴う再規格化可能なゲージ理論として実現可能であり、e⁺e⁻散乱、Z⁰崩壊、およびフェルミラブのミニ・ボーン実験でnull結果が得られることを予測する。

ABSTRACT

We show that lepton number violating muon decays, μ^+ -> e^+ + ν_e-bar + ν_i-bar (i=e, μor τ), can consistently explain the neutrino anomaly reported by the LSND experiment. Two effective operators in the Standard Model are identified which lead to just such decays and no other processes. The scale of new physics Λmust be relatively low, Λ< 500 GeV. Extensions of the Standard Model which realize these effective operators are presented. Since new physics affects only the decay of the muon, and not of π^+-, our scenario predicts a null result for ν_μ-bar - ν_e-bar oscillation searches at the Fermilab mini--BOONE experiment. Models which realize these effective operators, while consistent with all available data, can be tested in the near future through (i) discovery of new scalar particles with masses below about 500 GeV, (ii) small but observable deviations in e^+ e^- -> μ^+ μ^- and e^+ e^- -> ννγcross sections, (iii) observable corrections to the muon g-2, and (iv) lepton number violating Z^0 decays with branching ratios of order 10^{-7}.

研究の動機と目的

• ステアリングニュートリノの異常をステアリングニュートリノを導入せずに解消すること。
• LSNDで観測された ν̄ₑ の過剰を、μ⁺ → e⁺ + ν̄ₑ + ν̄ᵢ 崩壊に起因すると説明すること。
• 既存の希少崩壊制約と矛盾しない標準模型の整合的な拡張を構築すること。
• 将来的な実験でテスト可能な信号、特に希少Z⁰崩壊とe⁺e⁻断面積のずれを予測すること。
• このモデルがπ±崩壊データと整合することを保証し、他の説明と区別できること。

提案手法

• 標準模型に含まれる、レプトン数を破壊するミューオン崩壊 μ⁺ → e⁺ + ν̄ₑ + ν̄ᵢ を媒介する二つの ΔL = 2 有効作用素を同定する。
• スカラー交換を通じてこれらの作用素を生成する再規格化可能なゲージ模型（モデル1およびモデル2）を構築し、二重電荷をもつヒッグス粒子（Δ⁺⁺）と単一電荷をもつヒッグス粒子（H⁺）を含む。
• 有効作用素を用いて分岐比と断面積を計算し、実験的制限と整合することを確認する。
• e⁺e⁻ → μ⁺μ⁻ および e⁺e⁻ → ννγ の過程における断面積のずれを含む、素粒子的現象的結果を分析する。
• Z⁰ → e⁺μ⁻νν などの希少Z⁰崩壊を評価し、分岐比を 10⁻⁷ から 10⁻⁸ のオーダーで推定する。
• π±崩壊が影響を受けないことを予測し、これはμ → e + ν̄ₑ + ν̄ᵢ をテストするがπ → μ + ν をテストしないミニ・ボーン実験でnull信号をもたらす。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レプトン数を破壊するミューオン崩壊が、ステアリングニュートリノを導入せずにLSNDのニュートリノ異常を説明できるか？
• RQ2 標準模型に、μ⁺ → e⁺ + ν̄ₑ + ν̄ᵢ 崩壊を生成するが、μ → 3e や τ → μee などの極めて制約の厳しい過程を誘導しない ΔL = 2 有効作用素が存在するか？
• RQ3 このような新しい物理の現象的シグネチャーは何か？ そして、現在および将来的な実験でどのようにテストできるか？
• RQ4 なぜこのモデルではπ±崩壊が影響を受けないのか？ そしてこれはミニ・ボーン実験にどのような意味を持つのか？
• RQ5 500 GeV未満の新しいスカラー粒子を伴う再規格化可能なゲージ理論としてこのモデルを実現可能か？

主な発見

• LSNDの異常は、観測信号と整合する分岐比を持つレプトン数を破壊する崩壊 μ⁺ → e⁺ + ν̄ₑ + ν̄ᵢ によって説明可能である。
• この崩壊を生成するが、μ → 3e や τ → μee といった禁止過程を誘導しない二つの ΔL = 2 有効作用素が同定された。
• 新しい物理のスケールは Λ ≤ 500 GeV に制約され、このスケール未満の質量を持つ新しいスカラー粒子が存在することを示唆する。
• e⁺e⁻ → μ⁺μ⁻ および e⁺e⁻ → ννγ の断面積に観測可能なずれが予測され、後者は現在の制限で制約を受ける。
• Z⁰ → e⁺μ⁻νν などの希少Z⁰崩壊は、分岐比が 10⁻⁷ から 10⁻⁸ のオーダーで予測され、将来的な実験で検出可能である可能性がある。
• このモデルはフェルミラブのミニ・ボーン実験でnull結果を予測する。なぜなら、新しい物理はμ±崩壊にのみ影響し、π±崩壊には影響しないからである。