[논문 리뷰] How long does the hydrogen atom live?

David McKeen, Maxim Pospelov|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 04.

Various Chemistry Research Topics인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 양성자 안정성에도 불구하고 원자 수소가 몇백 킬로전자볼트 에너지의 광자를 방출함으로써 복사 붕괴할 수 있는지를 조사한다. Borexino 검출기 데이터를 이용해 저자들은 수소의 수명에 대한 한계를 약 $\sim10^{30}\,\text{s}$로 도출하였으며, 중성자-어둠침 빈도수 혼합 모형을 제약하고 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 직접적 탐색을 가능하게 한다.

ABSTRACT

It is possible that the proton is stable while atomic hydrogen is not. This is the case in models with new particles carrying baryon number which are light enough to be stable themselves but heavy enough so that proton decay is kinematically blocked. Models of new physics that explain the neutron lifetime anomaly generically have this feature, allowing for atomic hydrogen to decay through electron capture on a proton. We calculate the radiative hydrogen decay rate involving the emission of a few hundred keV photon, which makes this process detectable in experiment. In particular, we show that the low energy part of the Borexino spectrum is sensitive to radiative hydrogen decay, and turn this into a limit on the hydrogen lifetime of order $10^{30}~ m s$ or stronger. For models where the neutron mixes with a dark baryon, $χ$, this limits the mixing angle to roughly $10^{-11}$, restricting the $n oχγ$ branching to $10^{-4}$, over a wide range of parameter space.

연구 동기 및 목표

• 양성자가 안정하더라도 새로운 경량 빈도수 보존 입자를 포함하는 모형에서 원자 수소가 붕괴할 수 있는지 조사하기 위해.
• 중성자 수명 이질성과 중성자가 어둠침 페르미온 $\chi$와 혼합되는 어둠침 물질 모형의 영향을 탐색하기 위해.
• 기존 데이터에서 검출 가능한 복사 붕괴 모드를 이용해 수소 붕괴에 대한 실험적 제약을 도출하기 위해.
• 새로운 물리학 시나리오에서 수소 안정성이 양성자 안정성과 분리될 수 있다는 가설을 시험하기 위해.
• Borexino 검출기의 저에너지 스펙트럼을 이용해 수소 붕괴에 대한 직접적이고 모형에 종속되지 않는 제약을 제공하기 위해.

제안 방법

• 빛보다 가벼운 비가시 입자 $X$를 포함하는 복사 전이 $\rm H \to X\gamma$를 통한 수소 붕괴를 모델링하며, 광자 에너지는 $Q \sim 300\,\text{keV}$이다.
• 효과적 장 이론(EFT) 접근법을 사용하여 $qqq\chi$ 및 $\bar{e}^c p \phi$를 포함하는 차수-6 연산자를 기술함으로써 $\rm H \to \phi\gamma$를 유도한다.
• 페르미의 황금 법칙을 적용하여 붕괴률 $\Gamma_{\rm H\to\phi\gamma} \propto |\psi(0)|^2 \alpha \lambda^2 Q / m_e^2 M$을 계산함. 여기서 $\psi(0)$는 핵의 전자 파동함수이다.
• 예측된 광자 스펙트럼을 Borexino의 저에너지 데이터와 비교하며, 특히 약 $\sim200\,\text{keV}$ 임계 영역을 중점적으로 분석한다.
• Borexino 데이터에서 관측된 신호가 없음을 바탕으로 중성자-$\chi$ 혼합 모형의 혼합 각도 $\theta$에 대한 상한을 유도한다.
• 우주론적 제약과 $^{14}\rm C$ 배경 측정을 이용해 다른 붕괴 채널을 교차 검증하고 경계를 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 새로운 물리학이 경량 빈도수 보존 입자를 포함할 경우, 양성자가 안정하더라도 원자 수소가 붕괴할 수 있는가?
• RQ2 기존의 저에너지 검출기, 예를 들어 Borexino에서 수소의 복사 붕괴에 대한 검출 가능한 서명은 무엇인가?
• RQ3 Borexino 데이터로부터 유도된 수소 붕괴 제약은 우주론적 한계나 다른 실험적 한계와 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ4 중성자-수명 이질성은 어느 정도까지 중성자-$\chi$ 혼합 모형으로 설명될 수 있으며, 그로 인해 $\theta$에 어떤 제약이 도출되는가?
• RQ5 질량이 양성자와 유사한 안정된 어둠침 빈도수를 가진 $\chi$ 입자가 어둠침 물질이 되는 모형에서의 함의는 무엇인가?

주요 결과

• Borexino 실험은 약 $\sim200\,\text{keV}$ 광자 에너지 창에서 신호가 없음을 바탕으로 수소 수명에 대한 90% 신뢰수준 상한을 $\tau_{\rm H} \gtrsim 10^{30}\,\text{s}$로 설정하였다.
• 중성자-$\chi$ 혼합 모형에서 혼합 각도는 $\theta \lesssim 10^{-11}$로 제약되며, $n\to\chi\gamma$의 분해비는 광범위한 매개변수 공간에서 $10^{-4}$ 이하이다.
• 복사 붕괴 비율에 대한 제약는 $\text{Br}_{\rm H\to X\gamma} \times \tau_{\rm H}^{-1} < 10^{-29}\,\text{s}^{-1}$로 도출되었으며, 이는 $^{14}\rm C$ 배경과의 보수적인 비교에서 유도되었다.
• Borexino 제약는 동일한 관측량에 대해 최대 $10^{-24}\,\text{s}^{-1}$ 수준의 우주론적 제약보다 훨씬 강력하다.
• 어둠침 스칼라 $\phi$가 $\bar{e}^c p$와 결합하는 모형은 주로 광자 방출이 일어나기 때문에 강력한 제약을 제공하며, 이로 인해 $\tau_{\rm H} \gtrsim 10^{28}\,\text{yr}$로 제약된다.
• 복사 붕괴 모드는 핵 매질 효과의 복잡성 없이 중성자-$\chi$ 혼합을 직접 탐색할 수 있는 직접적 탐사 수단을 제공한다. 이는 $^{11}\rm Be$나 다른 원자핵에서의 탐색과는 대조된다.