[論文レビュー] Neutrino mediated muon--electron conversion in nuclei revisited

F. Šimkovic, Valery E. Lyubovitskij+3 more|Dec 20, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、核内のミュオン–電子変換における非光子的ニュートリノ交換メカニズムを再検討し、従来見過ごされていた木構造のクォークレベル図（図1c）が、標準的なボックス図と同程度に寄与することを特定した。相対論的ちゅうしきクォーク模型を用い、クォークの閉じ込めとちゅうしき対称性を組み込むことで、重いステアラ・ニュートリノ（$m_h \gg 1~\text{GeV}$）が変換率を増幅させ、将来的な実験（MECO や PRIME）で観測可能になることが示された。非観測限界から $|U_{\mu h}U^{*}_{eh}| \leq 10^{-4}-10^{-3}$ の新たな制約が得られた。

ABSTRACT

The non-photonic neutrino exchange mechanism of the lepton flavor violating muon-electron conversion in nuclei is revisited. First we determine the nucleon coupling constants for the neutrino exchange mechanism in a relativistic quark model taking into account quark confinement and chiral symmetry requirements. This includes a new, previously overlooked tree-level contribution from neutrino exchange between two quarks in the same nucleon. Then for the case of an additional sterile neutrino we reconsider the coherent mode of this process. The presence of a mixed sterile-active neutrino state heavier than the quark confinement scale Lambda_c (~1 GeV) may significantly improve the prospects for observation of this process in future experiments as compared to the conventional scenario with only light neutrinos. Turning the arguments around we derive new experimental constraints on |U_(mu h)| and |U_(e h)| mixing matrix elements from the non-observation of muon--electron conversion.

研究の動機と目的

• 核内における$(\mu^{-},e^{-})$変換の非光子的ニュートリノ交換メカニズムを、改善されたクォークレベルのモデルで再表現すること。
• この過程において、従来見過ごされていた、同一の核子内での木構造の2クォーク図を同定し、評価すること。
• 重いステアラニュートリノ（$m_h \gg \Lambda_c \sim 1~\text{GeV}$）が$(\mu^{-},e^{-})$変換率に与える影響を評価すること。
• 現在および将来的な非観測限界から、$|U_{\mu h}U^{*}_{eh}|$混合行列要素に対する新たな実験的制約を導出すること。

提案手法

• クォークの閉じ込めとちゅうしき対称性を組み込んだ相対論的摂動的ちゅうしきクォーク模型（PCQM）を用い、核子の結合定数を計算した。
• 仮想ニュートリノの運動量スケールを $\Lambda_c \sim 1~\text{GeV}$ とし、従来の $M_W$ スケールの仮定とは異なった。
• Ref. [7] の核行列要素を用いて行列要素 $\mathcal{M}_{\mu e}$ を計算し、式 (27) を用いて分岐比 $R_{\mu e}$ を導出した。
• 有効ラグランジアンと核子の形因子を用いて相互作用をモデル化し、ベクトル結合定数 $f_V^p$, $f_V^n$ を含めた。
• 核子の共鳴的$(\mu^{-},e^{-})$変換率を、$^{27}Al$、$^{48}Ti$、$^{197}Au$ の標的にて、式 $R^{\text{theor}}_{\mu e}/|U_{\mu h}U^{*}_{eh}|^2$ を用いて評価した。
• 理論的予測を実験的上限と比較し、$|U_{\mu h}U^{*}_{eh}|$ に対する制約を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一の核子内に存在する新しい木構造の2クォーク図が、ニュートリノ媒介$(\mu^{-},e^{-})$変換に顕著な寄与を示すか？
• RQ2 仮想ニュートリノの運動量スケールを $M_W$ スケールではなく、クォークの閉じ込めスケール $\Lambda_c \sim 1~\text{GeV}$ に設定した場合、予測される$(\mu^{-},e^{-})$変換率にどのような影響を与えるか？
• RQ3 重いステアラニュートリノ（$m_h \gg 1~\text{GeV}$）が、$(\mu^{-},e^{-})$変換率を十分に増幅させ、将来的な実験で観測可能になるか？
• RQ4 この過程の非観測限界から、$|U_{\mu h}U^{*}_{eh}|$ 混合行列要素に対する新たな実験的制約をどのように導けるか？

主な発見

• ニュートリノ媒介$(\mu^{-},e^{-})$変換過程において、新しい木構造の2クォーク図（図1c）が、標準的なボックス図（図1a,b）と同等の寄与を示した。
• PCQMモデルで導出された核子の形因子は、仮想ニュートリノの運動量スケールを $\Lambda_c \sim 1~\text{GeV}$ に設定した場合、変換振幅が顕著に増幅されることを示した。これは、従来の $M_W$ スケール仮定とは対照的である。
• 重いステアラニュートリノ（$m_h \gg \Lambda_c$）の場合、理論的分岐比 $R^{\text{theor}}_{\mu e}/|U_{\mu h}U^{*}_{eh}|^2$ は、$^{27}Al$ で $3.19 \times 10^{-11}$、$^{48}Ti$ で $6.34 \times 10^{-11}$、$^{197}Au$ で $4.73 \times 10^{-10}$ に達し、観測可能性が示唆された。
• 将来的な実験（MECO：$^{27}Al$、PRIME：$^{48}Ti$）では、それぞれ $10^{-17}$ および $10^{-18}$ の感度に達する可能性があり、$|U_{\mu h}U^{*}_{eh}| \sim 10^{-4}-10^{-3}$ の場合に観測が可能になる。
• 非観測限界から、新たな上限が得られた：SINDRUM II（$^{48}Ti$）から $|U_{\mu h}U^{*}_{eh}| \leq 0.1$、将来的な MECO および PRIME 実験から $\leq 10^{-4}-10^{-3}$ まで。
• 本研究により、従来未探索領域であった $m_h \geq 1600~\text{GeV}$ の領域にまで制約が拡張され、$m_h \geq 42.7~\text{GeV}$ の領域の大部分をカバーした。