[論文レビュー] On Baryon and Lepton Number Violation

P. Perez, A. Pocar+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

このSNOWMASS 2021レポートは、標準模型を超えた理論におけるバリオン数およびレプトン数の破れ（BLV）を包括的にレビューし、グランドユニフィケーション、スピン特異性、シーイズメカニズムなどの理論的枠組みを分析している。実験的プローブとして、ゼロニュートリノ二重ベータ崩壊、陽子崩壊、中性子反中性子振動、加速器のシグネチャを評価し、ニュートリノ質量の起源やバリオジェネシスを含む新しい物理を明らかにする可能性を強調している。

ABSTRACT

In this report we discuss the main theories to understand the origin of baryon and lepton number violation in physics beyond the Standard Model. We present the theoretical predictions for rare processes such as neutrinoless double beta decay, proton decay, and neutron-antineutron oscillation, and overview the prospects to discover these rare processes in the near future. The possibility to observe baryon and lepton violating signatures at current and future colliders and through precision studies of other rare processes, and the testability of different baryogenesis mechanisms is discussed in detail. A healthy and broad experimental program looking for proton decay, neutrinoless double beta decay and neutron-antineutron oscillations is essential to make new discoveries in this field. These searches are carried out at various experimental facilities in the US and abroad, and use instrumentation arching across traditional HEP/NP boundaries. In addition, experiments such as those at the Large Hadron Collider could discover exotic baryon and/or lepton number violating signatures connected to low energy scale theories for neutrino masses, supersymmetric models with R-parity violation, new gauge theories or other mechanisms for physics beyond the Standard Model. The landscape presented in this report could be crucial to discover the underlying mechanism for neutrino masses and the matter-antimatter asymmetry in the universe.

研究の動機と目的

• 標準模型を超えたバリオン数およびレプトン数の破れ（BLV）の理論的モデルを体系的に分析すること。
• ゼロニュートリノ二重ベータ崩壊、陽子崩壊、中性子反中性子振動などの希少過程に対する、さまざまなBLVメカニズムの予測力の評価。
• 現在および将来の加速器、地下検出器、ビームドัム実験におけるBLVシグネチャの実験的到達域と検証可能性の評価。
• BLVと宇宙論的現象（バリオジェネシス、ダークマター生成など）との関連の探求。
• BLV現象の探索における将来の理論的および実験的取り組みのロードマップの提供。

提案手法

• バリオン数およびレプトン数の破れ理論を明示的破れと自発的破れのシナリオに分類し、陽子崩壊（明示的）とメジャノナニュートリノを伴う安定した陽子（自発的）といった予測を区別する。
• ニュートリノ質量を生成し、BLV過程を誘導する有効場理論のオペレーター（例：次元5および次元6）を分析する。
• R-カーディナリティ破れの超対称性（SUSY）、レプトクォーク、低スケールBLVモデルにおける長寿命粒子からのずれた頂点を含む加速器シグネチャをモデル化する。
• LHC、LHCb、Belle II、および中性子反中性子振動検出器などの既存および計画中の実験の、特定のBLVシグネチャに対する感度を評価する。
• レプトゲネシスやメソノジェネシスといったバリオジェネシス機構を評価し、それらをBLVスケールおよびクォークおよびメソン系におけるCP対称性の破れと関連付ける。
• 宇宙論的制約および高精度測定を用いてBLVのエネルギースケールを制限し、それらをニュートリノ質量生成および物質-反物質非対称性と結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型を超えた理論におけるバリオン数およびレプトン数の破れの主要な理論的枠組みは何か？
• RQ2 シーイズモデル、R-カーディナリティ破れ、レプトクォークといった異なるBLVメカニズムは、希少崩壊および加速器実験における観測可能なシグネチャをどのように予測するか？
• RQ3 ゼロニュートリノ二重ベータ崩壊、陽子崩壊、中性子反中性子振動に対する現在および予想される実験感度は何か？
• RQ4 加速器実験は、低エネルギーのシーイズメカニズムや長寿命粒子に関連する異常なBLVシグネチャをどのように検出できるか？
• RQ5 BLVは、宇宙における物質-反物質非対称性を生成する役割を果たすのか、そしてそれが宇宙論的および高精度測定によってどのように検証できるか？

主な発見

• 明示的BおよびL破れを伴う理論的モデルは、陽子崩壊とメジャノナニュートリノを予測するが、自発的破れは安定した陽子と、おそらくディラックまたはメジャノナニュートリノをもたらす。
• ゼロニュートリノ二重ベータ崩壊は、メジャノナニュートリノの性質を調べる重要なプローブであり、有効メジャノナ質量スケールを制限することができる。現在の制限では、Σmν < 0.1 eV が必要である。
• 陽子崩壊は、ゲージボソンがB破れ遷移を媒介するグランドユニフィケーション理論（GUT）で予測されており、現在の実験的下限では陽子寿命 τp > 1.5 × 10^34 年 である。
• 中性子反中性子振動は、B破れ2単位の直接的プローブであり、実験では τn−n̄ > 10^8 秒 に制限されており、将来的な実験では τ > 10^9 s を目指している。
• 低スケールBLVモデル、例えば長寿命粒子やメソノジェネシスを含むものでは、Belle II や LHCb でのずれた頂点や希少メソン崩壊を通じてプローブ可能である。
• メソノジェネシスは、B破れを伴わないバリオジェネシスの新しいメカニズムを提供し、B中間子崩壊におけるCP対称性の破れが非対称性を生成する。これは、B数破れを伴うメソン崩壊の探索によって検証可能である。