[논문 리뷰] On Baryon and Lepton Number Violation

P. Perez, A. Pocar외 12명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 SNOWMASS 2021 보고서는 표준모형을 초월하는 물리학에서 강입자 및 렙톤 수의 위반(BLV)을 종합적으로 검토하며, 대Unified 이론, 초대칭, 시즈메커니즘 등의 이론적 프레임워크를 분석한다. 실험적 탐사 수단으로는 무이성질 이중베타 붕괴, 양성자 붕괴, 중성자-반중성자 진동, 그리고 입자충돌기 서명을 평가하며, 뉴트리노 질량 기원과 물질-반물질 비대칭성의 원인을 밝힐 잠재력을 강조한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월하는 물리학에서 강입자 및 렙톤 수 위반(BLV)의 이론적 모델을 체계적으로 분석하기 위해.
• 무이성질 이중베타 붕괴, 양성자 붕괴, 중성자-반중성자 진동과 같은 희귀 과정에 대해 다양한 BLV 메커니즘의 예측 능력을 평가하기 위해.
• 현재 및 향후 입자충돌기, 지하 탐지기, 빔드럼 실험에서 BLV 서명의 실험적 탐지 가능성과 측정 범위를 평가하기 위해.
• BLV와 천체물리 현상 간의 연관성, 특히 물질-반물질 비대칭성과 암흑물질 생성과의 관계를 탐색하기 위해.
• BLV 현상 탐색을 위한 향후 이론적 및 실험적 노력의 방향도 제시하기 위해.

제안 방법

• BLV 이론을 명시적 위반과 자발적 위반 사례로 분류하여, 예를 들어 명시적 위반의 경우 양성자 붕괴를, 자발적 위반의 경우 메이저라 뉴트리노를 동반한 안정된 양성자 등을 예측하는 방식으로 차별화한다.
• 뉴트리노 질량을 생성하고 BLV 과정을 유도하는 효과적 양자장이론 연산자(예: 차수 5 및 차수 6)를 분석한다.
• R-대칭 위반 초대칭(SUSY), 렙토퀴어크, 저에너지 BLV 모델에서 기인하는 장수 입자에 의한 이격된 정점 등 입자충돌기 서명을 모델링한다.
• LHC, LHCb, Belle II, 그리고 중성자-반중성자 진동 탐지기와 같은 기존 및 계획 중인 실험의 감도를 특정 BLV 신호에 대해 평가한다.
• 레프토제네시스 및 메소제네시스와 같은 물질-반물질 비대칭 생성 메커니즘을 평가하며, 이를 BLV 에너지 척도와 쿼크 및 메손 부문의 CP 위반과 연결한다.
• 천체물리적 제약 조건과 정밀 측정을 활용하여 BLV 에너지 척도를 제한하며, 이를 뉴트리노 질량 생성과 물질-반물질 비대칭성과 연결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준모형을 초월하는 물리학에서 강입자 및 렙톤 수 위반의 주요 이론적 프레임워크는 무엇인가요?
• RQ2 시즈모델, R-대칭 위반, 렙토퀴어크 등 다양한 BLV 메커니즘이 희귀 붕괴 및 입자충돌기에서 관측 가능한 서명을 어떻게 예측하는가요?
• RQ3 무이성질 이중베타 붕괴, 양성자 붕괴, 중성자-반중성자 진동에 대해 현재와 향후 실험의 감도는 어떻게 되나요?
• RQ4 입자충돌기 실험이 저에너지 시즈메커니즘 또는 장수 입자와 연결된 이국적인 BLV 서명을 어떻게 탐지할 수 있나요?
• RQ5 BLV는 우주의 물질-반물질 비대칭성을 어떻게 생성하는가? 이를 천체물리적 및 정밀 측정을 통해 어떻게 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 명시적 B 및 L 위반을 포함하는 이론적 모델은 양성자 붕괴와 메이저라 뉴트리노를 예측하지만, 자발적 위반은 안정된 양성자와 잠재적으로 디르악 또는 메이저라 뉴트리노를 초래한다.
• 무이성질 이중베타 붕괴는 메이저라 뉴트리노 성질을 탐지하는 핵심 수단이며, 효과적 메이저라 질량 척도를 제약할 수 있다. 현재의 한계는 Σmν < 0.1 eV 를 요구한다.
• 양성자 붕괴는 게이지 보존이 B 위반 전이를 매개하는 대Unified 이론(GUTs)에서 예측되며, 현재 실험에서의 양성자 수명 하한은 τp > 1.5 × 10^34 년이다.
• 중성자-반중성자 진동은 B 위반 2단위를 직접 탐지하는 수단이며, 실험으로부터 τn−n̄ > 10^8 초로 제약되며, 향후 실험들은 τ > 10^9 s 를 목표로 한다.
• 저에너지 BLV 모델, 예를 들어 장수 입자나 메소제네시스를 포함하는 모델들은 Belle II 및 LHCb에서의 이격된 정점과 희귀 메손 붕괴를 통해 탐지 가능하다.
• 메소제네시스는 B 위반 없이도 물질-반물질 비대칭을 생성하는 새로운 메커니즘으로, B 메손 붕괴에서의 CP 위반으로 비대칭성이 생성되며, B 수 위반 메손 붕괴 탐색을 통해 검증 가능하다.