[논문 리뷰] Detecting Majorana nature of neutrinos in muon and tau decay

Takeshi Fukuyama, Koji Tsumura|ArXiv.org|2008. 09. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 힉스 삼중항 모형(HTM)에서 뮤온 붕괴($μ \to e\nu\bar{\nu}$) 및 $μ \to e\gamma$의 정밀 측정을 통해 중성미자의 메이저라 성질을 탐지할 수 있다고 제안한다. 여기서 중성미자의 메이저라 성질에 의해 가능해지는 W 보손과 이완된 힉스 보손 도형 간의 간섭으로 인해 뮤온 붕괴율에 검출 가능한 편차가 발생하며, 이 편차는 몇 배의 $10^{-4}\%$ 수준에 이르며, 재규격화 효과가 있더라도 향후 고정밀 실험에서 측정 가능할 수 있다.

ABSTRACT

The Majorana nature of neutrinos can be detected by the precise measurement of muon decay. This possibility comes from the presence of charged Higgs boson interaction for Majorana neutrinos. We study the effects of the neutrino Yukawa interaction via charged Higgs bosons in muon decay processes such as $μ o eν\barν$ and $μ o eγ$. The Higgs triplet model with small vacuum expectation value is of special importance whose neutrino Yukawa coupling can affect significantly muon decays. External neutrino lines in the Feynman diagrams of $μ o eν\barν$ can be crossed because of its Majorana nature. This fact provides the interference contribution between the W boson exchange diagram and that of charged Higgs boson, which may be detectable in near future experiments.

연구 동기 및 목표

• 중성미자의 메이저라 성질이 중성미자 없는 이중베타붕괴에 의존하지 않고도 희귀 뮤온 붕괴를 통해 탐지 가능한지 조사하기 위해.
• 저에너지 과정인 $\mu \to e\nu\bar{\nu}$ 및 $\mu \to e\gamma$에서 메이저라 중성미자 효과의 검출 가능성 평가하기 위해.
• 큰 중성미자 요카 쌍량으로 인한 명백한 편차를 실현하는 데 있어, 이중 힉스 듀블릿 모형(THDM)과 힉스 삼중항 모형(HTM)의 민감도 비교하기 위해.
• 타르 렙톤 붕괴($\tau \to \ell N\bar{N}$)를 통해 유사한 간섭 효과를 통해 효과적인 중성미자 질량을 측정할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 힉스 삼중항 모형(HTM)에서 뮤온 붕괴 진폭을 분석하며, W 보손 교환도형과 이완된 힉스 보손 교환도형 간의 간섭에 집중한다.
• 이완된 힉스 보손의 기여와 중성미자 메이저라 간섭을 포함한 수정된 뮤온 붕괴율 $\Gamma(\mu \to e\nu\bar{\nu})$를 유도한다.
• 측정 가능한 매개변수로 표현하기 위해 효과적 중성미자 질량 $\langle m_\nu \rangle_{\mu e} = \sum_j m_{\nu j} U_{\mu j}^* U_{ej}$를 사용한다.
• 작은 진공 기대값 $v_\nu \ll v$를 가진 이중 힉스 듀블릿 모형(THDM)에서의 영향을 비교한다. 여기서 신호는 너무 작아 검출 불가능하다.
• $\mu \to ee\bar{e}$ 및 $\mu \to e\gamma$의 실험적 제약 조건을 활용하여 삼중항 진공 기대값 $v_\Delta$와 이완된 힉스 보손 질량 $m_{\Delta^{\pm}}$를 제약한다.
• 예측된 편차를 현재 및 향후 실험 정밀도 약 $10^{-3}\%$와 비교하여 신호의 검출 가능성 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정밀 측정을 통해 $\mu \to e\nu\bar{\nu}$ 및 $\mu \to e\gamma$와 같은 뮤온 붕괴 과정을 통해 중성미자의 메이저라 성질을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 힉스 삼중항 모형에서 W 보손과 이완된 힉스 보손 도형 간의 간섭으로 인한 뮤온 붕괴율의 편차 크기는 얼마인가?
• RQ3 왜 작은 $v_\nu$를 가진 이중 힉스 듀블릿 모형에서는 신호가 크지만, 힉스 삼중항 모형에서는 신호가 크지 않은가?
• RQ4 유사한 간섭 효과를 통해 $\tau \to \ell N\bar{N}$ 붕괴를 통해 타르 렙톤의 효과적 중성미자 질량을 측정할 수 있는가?
• RQ5 신호가 $G_F$의 재규격화에 대해 안정한가, 그리고 표준모형 기여와 분리 가능한가?

주요 결과

• 힉스 삼중항 모형에서 뮤온 붕괴율 $\Gamma(\mu \to e\nu\bar{\nu})$의 표준모형(SM) 예측에서의 편차는 몇 배의 $10^{-4}\%$ 수준에 이르며, 향후 고정밀 실험에서 검출 가능할 수 있다.
• W 보손과 이완된 힉스 보손 도형 간의 간섭—중성미자의 메이저라 성질에 의해 가능해지는—이 관측 가능한 신호의 핵심 원천이다.
• 작은 $v_\nu$를 가진 이중 힉스 듀블릿 모형에서는 신호가 $v_\nu/v \ll 1$로 인해 억제되어 현재 또는 근래의 실험 감도로는 검출 불가능하다.
• 힉스 삼중항 모형은 큰 중성미자 요카 쌍량을 允허하지만, $\mu \to ee\bar{e}$의 관측되지 않음으로 인해 제약을 받으며, 이는 $m_{\nu} \sim 0.05\text{eV}$ 및 $m_{\Delta^{\pm\pm}} \sim 100\text{GeV}$ 조건에서 $v_\Delta \gtrsim 70\text{eV}$의 하한선을 설정한다.
• 효과적 중성미자 질량 $\langle m_\nu \rangle_{\mu e}$는 간섭 항에 나타나며, 관측 가능한 붕괴율과 중성미자 질량 행렬 사이의 직접적인 연결 고리를 제공한다.
• 타르 렙톤 붕괴, 예를 들어 $\tau \to \ell N\bar{N}$는 렙톤 품질 위반에 대한 실험적 제약가 더 느슨하므로 뮤온 붕괴보다 더 큰 편차를 가질 수 있어, 메이저라 성질 탐지에 보완적인 채널을 제공할 수 있다.