[논문 리뷰] Lepton number violating muon decay and the LSND neutrino anomaly

K. S. Babu, Sandip Pakvasa|ArXiv.org|2002. 04. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 스테레일 중성미자들을 도입하지 않고도 LSND 중성미자 비정상현상( anomalies )을 설명할 수 있는 렙톤 수 위반 μ 붕괴인 μ⁺ → e⁺ + ν̄ₑ + ν̄ᵢ (i = e, μ, τ)를 제안한다. 이 메커니즘은 표준모형 내에서 두 개의 ΔL = 2 효과적 연산자에 기반하며, 500 GeV 이하의 새로운 스칼라를 포함하는 재정규 가능 게이지 이론으로 실현 가능하며, e⁺e⁻ 산란, Z⁰ 붕괴에서 관측 가능한 편차와 펌일랩의 미니-보운 실험에서의 null 결과를 예측한다.

ABSTRACT

We show that lepton number violating muon decays, μ^+ -> e^+ + ν_e-bar + ν_i-bar (i=e, μor τ), can consistently explain the neutrino anomaly reported by the LSND experiment. Two effective operators in the Standard Model are identified which lead to just such decays and no other processes. The scale of new physics Λmust be relatively low, Λ< 500 GeV. Extensions of the Standard Model which realize these effective operators are presented. Since new physics affects only the decay of the muon, and not of π^+-, our scenario predicts a null result for ν_μ-bar - ν_e-bar oscillation searches at the Fermilab mini--BOONE experiment. Models which realize these effective operators, while consistent with all available data, can be tested in the near future through (i) discovery of new scalar particles with masses below about 500 GeV, (ii) small but observable deviations in e^+ e^- -> μ^+ μ^- and e^+ e^- -> ννγcross sections, (iii) observable corrections to the muon g-2, and (iv) lepton number violating Z^0 decays with branching ratios of order 10^{-7}.

연구 동기 및 목표

• 스테레일 중성미자를 도입하지 않고 LSND 중성미자 비정상현상을 해결하기 위해.
• LSND에서 관측된 ν̄ₑ 과잉을 μ⁺ → e⁺ + ν̄ₑ + ν̄ᵢ 붕괴에서 기인하는 것으로 설명하기 위해.
• 기존의 희귀 붕괴 제약 조건과 충돌하지 않는 일관된 표준모형의 확장 구축하기 위해.
• 미래 실험에서 검증 가능한 신호, 특히 희귀 Z⁰ 붕괴와 e⁺e⁻ 단면적의 편차 예측하기 위해.
• 이 모형이 π± 붕괴 데이터와 일치함을 보장하여 다른 설명들과 구별하기 위해.

제안 방법

• 표준모형 내에서 렙톤 수 위반 μ 붕괴 μ⁺ → e⁺ + ν̄ₑ + ν̄ᵢ 를 매개하는 두 개의 ΔL = 2 효과적 연산자를 식별한다.
• 스칼라 교환를 통해 이러한 연산자를 생성하는 재정규 가능 게이지 모형(모형 1 및 모형 2)을 구축하며, 이는 이중적으로 양전하를 가진 힉스 보존(Δ⁺⁺)과 단일 전하를 가진 힉스( H⁺)를 포함한다.
• 효과적 연산자를 사용해 붕괴 분율과 단면적을 계산하며, 실험적 제약 조건과의 일관성을 확보한다.
• e⁺e⁻ → μ⁺μ⁻ 및 e⁺e⁻ → ννγ 과정에서의 편차를 포함한 현상학적 결과를 분석한다.
• Z⁰ → e⁺μ⁻νν 와 같은 희귀 Z⁰ 붕괴를 평가하며, 붕괴 분율을 10⁻⁷에서 10⁻⁸ 수준으로 추정한다.
• π± 붕괴는 영향을 받지 않으며, 이는 미니-보운 실험에서 신호가 없음을 의미한다. 이는 μ → e + ν̄ₑ + ν̄ᵢ 를 테스트하지만 π → μ + ν 는 테스트하지 않는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 렙톤 수 위반 μ 붕괴가 스테레일 중성미자를 도입하지 않고도 LSND 중성미자 비정상현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 표준모형 내에서 μ⁺ → e⁺ + ν̄ₑ + ν̄ᵢ 를 생성하면서 μ → 3e 또는 τ → μee 와 같은 다른 엄격한 제약 조건을 유도하지 않는 ΔL = 2 효과적 연산자가 존재하는가?
• RQ3 이러한 새로운 물리의 현상학적 서명은 무엇이며, 현재 및 미래 실험에서 어떻게 검증할 수 있는가?
• RQ4 이 모형에서 왜 π± 붕괴는 영향을 받지 않는가? 이는 미니-보운 실험에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 이 모형은 500 GeV 이하의 새로운 스칼라 입자를 포함하는 재정규 가능 게이지 이론으로 실현 가능한가?

주요 결과

• LSND 비정상현상은 렙톤 수 위반 붕괴 μ⁺ → e⁺ + ν̄ₑ + ν̄ᵢ 로 설명 가능하며, 관측된 신호와 일치하는 붕괴 분율을 가진다.
• 이 붕괴를 생성하면서 μ → 3e 또는 τ → μee 와 같은 다른 금지된 과정을 유도하지 않는 두 개의 ΔL = 2 효과적 연산자가 확인된다.
• 신규 물리의 스케일는 Λ ≤ 500 GeV 로 제약되며, 이는 이 스케일 이하의 질량을 가진 새로운 스칼라 입자가 존재함을 시사한다.
• e⁺e⁻ → μ⁺μ⁻ 및 e⁺e⁻ → ννγ 단면적에서 관측 가능한 편차가 예측되며, 후자는 현재의 제약 조건에 의해 제한된다.
• Z⁰ → e⁺μ⁻νν 와 같은 희귀 Z⁰ 붕괴는 10⁻⁷에서 10⁻⁸ 수준의 붕괴 분율을 예측하며, 향후 실험에서 검출 가능할 수 있다.
• 이 모형은 미니-보운 실험에서 null 결과를 예측한다. 왜냐하면 새로운 물리가 μ± 붕괴에만 영향을 주며, π± 붕괴에는 영향을 주지 않기 때문이다.