[논문 리뷰] Electron Decay

T. Pradhan|arXiv (Cornell University)|2003. 12. 31.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 기본 스핀-1/2 페르미온과 스칼라 입자를 매개로 하는 초강력 힘에 의해 유도된 결합 상태로서 전자, 중성미자, 광자를 복합 모델로 제안한다. 기본 페르미온 질량에 대해 10²² GeV 이상의 하한을 도출하고, 전하 보존 위반을 통한 전자 붕괴를 예측하며, 수명이 2.7×10²³ 년을 초과함으로써 플랑크 규모 에너지에서의 복합성임을 시사한다.

ABSTRACT

The electron would decay into a photon and neutrino if the law of electric charge conservation is not respected. Such a decay would cause vacancy in closed shells of atoms giving rise to emission of x-rays and Auger electrons. Experimental searches for such very rare decay have given an estimate for the life time to be greater than $2.7 imes 10^{23}$ years. The simplest theoretical model which would give rise to such a decay is one where the electron is regarded as the first excited state and neutrino as the ground state of a fundamental spin 1/2 particle bound to a scalar particle by a super strong force and the photon is considered as a bound state of a fundamental spin 1/2 fermion-antifermion pair. The fine structure constant of the super strong coupling is found to be unity from the masslessness of the neutrino and the lower bound of the mass of the fundamental particles is estimated by using quantum mechanical formula for photon emission by atoms and found to be $10^{22}$ GeV from the bound for electron decay time indicating thereby that the composite nature of electron, neutrino and the photon would be revealed in the Planckian energy regime. A model based on extension of $SU(2)\otimes SU(2)$ symmetry of Dirac equation to $SU(3)\otimes SU(3)$ gives a lower bound for the mass of the gauge boson mediating the decay to be $10^9 GeV$ which is the geometric mean of the masses of the electron and the fundamental particles.

연구 동기 및 목표

• 전자가 초강력 힘에 의해 유도된 기본 페르미온의 결합 상태일 가능성을 탐색한다.
• 실험적 관측에서 전자 붕괴가 발생하지 않는 이유를 전자 붕괴 수명의 하한을 도출하여 설명한다.
• 양자역학적 광자 방출 모델을 통해 관측된 전자의 안정성과 기본 입자 질량 척도를 연결한다.
• 디랙 방정식의 SU(2)⊗SU(2) 대칭성을 SU(3)⊗SU(3)로 확장하여 붕괴를 매개하는 게이지 보손의 질량을 제약한다.

제안 방법

• 전자를 스핀-1/2 입자가 스칼라와 초강력 힘에 의해 결합된 첫 번째 옹진 상태로, 중성미자를 기저 상태로 모델링한다.
• 광자를 페르미온-반페르미온 쌍의 결합 상태로 간주하고, 구조상 수상수를 1로 설정한다.
• 전자 붕괴 비율을 추정하기 위해 원자 전이 공식을 양자역학적으로 적용하여 X선 및 아우거 전자 방출을 고려한다.
• 관측된 전자 수명 하한(2.7×10²³ 년)을 이용해 기본 페르미온의 질량을 제약한다.
• 디랙 방정식의 SU(2)⊗SU(2) 대칭성을 SU(3)⊗SU(3)로 확장하여 붕괴 과정에 대한 게이지 보손 질량을 유도한다.
• 게이지 보손 질량을 전자 질량과 기본 페르미온 질량의 기하평균으로 계산하여 10⁹ GeV를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자의 관측된 안정성이 초강력 결합된 페르미온-스칼라 시스템을 포함하는 복합 구조에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 전자가 전하 보존 위반을 통해 붕괴된다면, 기본 페르미온의 최소 질량 척도는 얼마인가?
• RQ3 관측된 전자 수명 하한은 복합 모델 내 기본 구성 요소의 질량에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 SU(3)⊗SU(3) 대칭성 확장은 붕괴를 매개하는 게이지 보손 질량을 예측하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이 틀 안에서 광자는 기본 페르미온-반페르미온 쌍의 일관된 결합 상태로 기술될 수 있는가?

주요 결과

• 실험적 탐색 결과에 기반해 전자 붕괴 수명은 2.7×10²³ 년을 초과한다.
• 양자역학적 원자 탈진화 모델을 사용해 기본 페르미온 질량을 약 10²² GeV로 추정한다.
• 초강력 힘의 구조상 수상수는 1로 도출되었으며, 이는 중성미자의 질량 무한대와 일관된다.
• SU(3)⊗SU(3) 확장은 전자 질량과 기본 페르미온 질량의 기하평균으로 10⁹ GeV의 게이지 보손 질량을 도출한다.
• 이 모델은 전자, 중성미자, 광자의 복합성은 플랑크 규모 에너지에서만 드러날 것임을 암시한다.
• 이 모델은 전하 보존 위반, 복합성, 고에너지 대칭성 확장 간의 이론적 틀을 제공한다.