[論文レビュー] Neutron-Antineutron Oscillation as a Signal of CP Violation

Zurab Berezhiani, A.I. Vainshtein|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2015

Noncommutative and Quantum Gravity Theories被引用数 20

ひとこと要約

この論文は、ローレンツおよびCPT不変性の下で中性子-反中性子振動が、バリアオン数の破れとCP対称性の破れを示すことを示している。これは、バリアオン生成のサハロフの条件の2つを満たす。振動は、有効ハミルトニアンに存在する一意なC対称性を保つが、PおよびT対称性を破る項から生じる。外部磁場は振動を抑制するが、新たな項を導入しない。

ABSTRACT

Assuming the Lorentz and CPT invariances we show that neutron-antineutron oscillation implies breaking of CP along with baryon number violation -- i.e. two of Sakharov conditions for baryogenesis. The oscillation is produced by the unique operator in the effective Hamiltonian. This operator mixing neutron and antineutron preserves charge conjugation C and breaks P and T. External magnetic field always leads to suppression of oscillations. Its presence does not lead to any new operator mixing neutron and antineutron.

研究の動機と目的

• ローレンツおよびCPT不変性の下で中性子-反中性子振動がCP対称性の破れを示すことの確立。
• 中性子-反中性子系における|ΔB|=2遷移を引き起こす一意の有効演算子の同定。
• 外部磁場が振動を抑制する際の役割を明らかにし、新たな混合項を生成しないことの説明。
• 観測された振動を、ビッグバンにおけるバリオン非対称性の起源および標準模型を超える新しい物理と結びつける。
• 同様の対称性構造を用いて、Λ-Λ̄混合などの他のバリオン-反バリオン系への応用を拡張する。

提案手法

• 中性子および反中性子場の最も一般なローレンツ不変ラグランジアンを導出し、|ΔB|=2項として一意の項を特定：Δℒ_ℬ̸ = -½ε[nᵀCn + n̄Cn̄ᵀ]。
• 離散的対称性の分析：この項はC対称性を保つが、PおよびT対称性を破るため、CPT不変性のもとでCP対称性の破れを示す。
• γ₅質量項（3）および他の|ΔB|=2項が、ヘリカル変換または位相変換により消去可能であり、残るのは実パラメータεのみであることを示す。
• ウェイルスピンルーチェ形式を用いてラグランジアンを左巻きおよび右巻きスピンルーチェで表現し、演算子の体系的分類を可能にする。
• 中性子と反中性子状態間での混合演算子の行列要素を評価し、振動パラメータについてε ∼ Λ_QCD⁶ / M⁵の見積もりを得る。
• n-̄n混合に寄与するのはC偶性、P奇性の演算子のみであり、核不安定性の制約がこのような遷移を強く制限することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ローレンツおよびCPT不変性のもとで、中性子-反中性子振動は必然的にCP対称性の破れを示すか？
• RQ2 中性子-反中性子系における|ΔB|=2遷移を引き起こす一意の有効演算子は何か？
• RQ3 外部磁場は中性子-反中性子振動にどのように影響を与え、新たな混合演算子を生成するか？
• RQ4 観測された振動信号は、サハロフの条件を介して宇宙におけるバリオン非対称性の起源と結びつけられるか？
• RQ5 核不安定性の制約は、Λ-Λ̄のようなハイパーメソン系における類似した振動をどの程度強く制限するか？

主な発見

• ローレンツおよびCPT不変性のもとで中性子-反中性子振動は、一意の|ΔB|=2演算子がC対称性を保つがPおよびT対称性を破るため、必然的にCP対称性の破れを示す。
• 振動は一意の有効演算子によって駆動される：Δℒ_ℬ̸ = -½ε[nᵀCn + n̄Cn̄ᵀ]、ここでεは実かつ正の値であり、C対称性を保ちながらPおよびT対称性を破る。
• 外部磁場はエネルギー準位を分裂させることで振動を抑制するが、新たな|ΔB|=2演算子を生成しない。これは以前の主張とは矛盾する。
• パラメータεはΛ_QCD⁶ / M⁵のオーダーであると推定され、新しい物理のスケールMと定量的に関連づけられる。
• |ΔB|=2過程における核不安定性の制約は、実験室で達成可能な感度よりも少なくとも15桁以上強く、Λ-Λ̄振動のビーム実験による直接検出は現実的でない。
• 同様の形式主義は質量のあるニュートリノにも適用可能である：同様のC偶性、P奇性構造を持つ|ΔF|=2項はニュートリノ-反ニュートリノ混合を記述でき、結果を他のフェルミオン系へ一般化する。