[논문 리뷰] Inverse neutrinoless double beta decay (and other Delta L=2 processes)

David London|ArXiv.org|1999. 07. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 향후 충돌기에서 렙톤 수 위반 과정, 특히 역수 없는 중성자 이중 베타 붕괴와 같은 과정의 탐지 가능성에 대해 조사한다. 특히 ΔL = 2 과정인 e⁻e⁻ → W⁻W⁻ 및 μ⁻μ⁻ → W⁻W⁻에 초점을 맞춘다. 연구 결과, e⁻e⁻ → W⁻W⁻는 중성자 이중 베타 붕괴의 제약 조건으로 인해 √s ≳ 2 TeV 이하에서는 관측 불가능하지만, 뮤온 중성자 질량에 유사한 제약 조건이 없기 때문에 μ⁻μ⁻ → W⁻W⁻는 낮은 에너지에서 관측 가능할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

I review the prospects for the detection of Delta L=2 processes at future colliders. Except in contrived models, the process e- e- -> W- W- is unobservable at future linear colliders unless $\sqrt{s} \gsim 2$ TeV, due to constraints from neutrinoless double beta decay. As there are no analogous constraints on the Majorana mass of the $ν_μ$, mu- mu- -> W- W- could be observed at a muon collider with considerably lower $\sqrt{s}$. One can also consider esoteric processes such as gamma gamma -> mu+ mu+ W- W-. Such processes may be observable if $\sqrt{s} \gsim 4$ TeV.

연구 동기 및 목표

• 향후 선형 및 뮤온 충돌기에서 ΔL = 2 과정, 특히 역수 없는 중성자 이중 베타 붕괴의 탐지 가능성 평가.
• 기존의 중성자 이중 베타 붕괴 한계가 선형 충돌기에서 e⁻e⁻ → W⁻W⁻ 관측에 미치는 제약 조건 평가.
• 뮤온 충돌기가 전자 충돌기보다 낮은 질량 중심 에너지에서 μ⁻μ⁻ → W⁻W⁻ 관측을 가능하게 할 수 있는지 탐색.
• 고에너지 충돌기에서 γγ → μ⁺μ⁺W⁻W⁻와 같은 이국적 과정의 관측 가능성 검토.
• 현실적인 모델 제약 조건 하에서 렙톤 수 위반 과정을 관측하기 위한 에너지 임계값 결정.

제안 방법

• 중성자 이중 베타 붕괴에서 유도된 전자 중성자 메이저나 질량에 대한 제약 분석.
• 이 제약 조건을 향후 선형 충돌기에서의 e⁻e⁻ → W⁻W⁻ 과정에 적용하여, √s ≳ 2 TeV 이하에서는 관측 불가능함을 입증.
• 뮤온 중성자 메이저나 질량에 유사한 제약 조건이 없기 때문에, μ⁻μ⁻ → W⁻W⁻는 낮은 에너지에서 관측 가능함을 고려.
• 고에너지 충돌기에서 γγ → μ⁺μ⁺W⁻W⁻와 같은 고다중도 과정의 단면적 및 운동역학적 가능성 평가.
• 렙톤 수 위반의 맥락에서 ΔL = 2 상호작용을 모델링하기 위해 유효 필드 이론 기법 사용.
• 기존 실험 제약 조건을 바탕으로 전자 충돌기와 뮤온 충돌기 간의 ΔL = 2 신호 감지 민감도 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성자 이중 베타 붕괴 제약 조건을 고려할 때, 선형 충돌기에서 e⁻e⁻ → W⁻W⁻를 관측하기 위한 최소 질량 중심 에너지는 얼마인가?
• RQ2 왜 μ⁻μ⁻ → W⁻W⁻ 과정은 e⁻e⁻ → W⁻W⁻보다 낮은 에너지에서 관측 가능할 수 있는가?
• RQ3 γγ → μ⁺μ⁺W⁻W⁻와 같은 이국적 ΔL = 2 과정의 운동역학적 및 단면적 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 중성자 이중 베타 붕괴의 한계가 e⁻e⁻ 충돌에서 ΔL = 2 과정의 관측 가능성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 뮤온 충돌기가 전자 충돌기보다 렙톤 수 위반 상호작용 탐색에 더 유리한 환경을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 중성자 이중 베타 붕괴에서 기인한 전자 중성자 메이저나 질량에 대한 엄격한 제약 조건으로 인해, 향후 선형 충돌기에서는 √s ≳ 2 TeV 이하에서는 e⁻e⁻ → W⁻W⁻ 과정을 관측할 수 없다.
• 반면, 뮤온 중성자 메이저나 질량에 유사한 제약 조건이 없기 때문에, 뮤온 충돌기에서는 훨씬 낮은 질량 중심 에너지에서 μ⁻μ⁻ → W⁻W⁻를 관측할 수 있다.
• γγ → μ⁺μ⁺W⁻W⁻와 같은 이국적 과정는 모델 파rameter와 단면적에 따라 √s ≳ 4 TeV에서 관측 가능할 수 있다.
• 뮤온 중성자 메이저나 질량에 강력한 제약 조건이 없기 때문에, 낮은 에너지에서 μ⁻μ⁻ → W⁻W⁻의 탐색 범위가 넓어진다.
• 본 연구는 뮤온 충돌기가 전자 기반 충돌기의 범위를 초월해 렙톤 수 위반 물리 현상을 탐색하는 데 상호보완적인 역할을 한다고 강조한다.
• 결과적으로, 향후 충돌기, 특히 뮤온 충돌기는 기반이 되는 물리가 접근 가능한 에너지 스케일에서 실현된다면 ΔL = 2 과정을 테스트할 수 있는 실현 가능한 길을 제공한다.