[논문 리뷰] Neutron-antineutron oscillation and parity and CP symmetries

Kazuo Fujikawa, Anca Tureanu|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 03.

Noncommutative and Quantum Gravity Theories참고 문헌 12인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 CPT 및 로렌츠 불변 효과 이론에서 중성자-반중성자 진동이 반드시 CP 위반을 의미하지는 않음을 보여주며, 이는 바리온 수 정의의 위상 모호성으로 인해 $Δ B=2$ 상호작용의 CP 성질이 잘 정의되어 있지 않기 때문이다. 주요 결과는 이러한 진동에서의 CP 위반이 허위이자 바리온 생성에 사용할 수 없으며, 진동은 바리온 수 위반 외에도 파리티 위반을 필요로 한다는 것이다.

ABSTRACT

It is shown that the neutron-antineutron oscillation per se does not necessarily imply CP violation in an effective local Lorentz invariant description of the neutron which preserves CPT, contrary to a recent analysis in the literature. A CP- and baryon number-violating term can be transformed into a CP conserving one, thus rendering the CP violation spurious and unusable in the analysis of baryogenesis, for example. It is also shown that the neutron-antineutron oscillation in a $ΔB=2$, Lorentz and CPT invariant interaction can occur only when parity is violated, irrespective of the CP properties; when parity is conserved, it is the ordinary quantum transition from neutron to antineutron which takes place. Those statements are proven by explicitly analyzing all the possible combinations with P, C and CP violation or their conservation. Moreover, a suitable combination of P=odd and P=even $ΔB=2$ interactions in the present model is shown to give rise to the CP preserving mass term for the right-handed neutrino if one replaces the neutron by the neutrino, reinforcing the conclusion.

연구 동기 및 목표

• CPT 및 로렌츠 불변 효과 이론에서 중성자-반중성자 진동이 CP 위반을 의미하는지 여부를 명확히 하는 것.
• 중성자를 포함한 $Δ B=2$ 상호작용에서 파리티, C, P, CP, T 대칭의 역할을 조사하는 것.
• 중성자 진동에서의 물리적 의미 있는 CP 위반이 바리온 생성 및 중성자 질량 모형에 미치는 영향을 평가하는 것.
• Δ B=2 항의 CP-홀성은 위상 재정의에 따라 불변이 아니며, 이는 바리온 생성에 있어 물리적으로 의미가 없음을 보여주는 것.

제안 방법

• 로렌츠 불변, 국소적, 에르미트 장 이론을 사용하여 $Δ B=2$ 바리온 수 위반 항과 파리티 위반 질량 항을 포함한 중성자 라그랑지안 분석.
• 중성자 장에 $π/4$ 위상 회전을 적용하여 바리온 수 위반 항을 변환하고, C 및 CP 성질이 모호해지는 것을 보여주는 것.
• 다양한 $Δ B=2$ 상호작용 항의 이산 대칭(파리티 P, 전하 쌍대성 C, 시간 역행 T, CP, CPT)에 대한 변환 성질을 명시적으로 계산하는 것.
• P-홀성과 P-짝성 $Δ B=2$ 항의 비교 및 그 조합 효과 분석을 통해 진동이 가능한 진짜 진동은 오직 P-홀성 항에서만 가능함을 보여주는 것.
• 중성자 장을 오른쪽 수동 중성자로 대체하여 오른쪽 수동 중성자에 대한 분석을 확장하고, 결과적으로 유도된 질량 항이 CP 보존임을 보여주는 것.
• 디랙 행렬에 대해 Bjorken-Drell 표기법을 사용하고, 페르미온에 대한 표준 C, P, T 및 CPT 변환 정의를 적용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CPT 및 로렌츠 불변 효과 이론에서 중성자-반중성자 진동은 반드시 CP 위반을 의미하는가?
• RQ2 만약 $Δ B=2$ 상호작용의 CP-홀성 성질이 장 재정의에 의존한다면, 이것이 물리적으로 의미 있는가?
• RQ3 진짜 중성자-반중성자 진동을 가능하게 하는 데서 파리티 위반의 역할은 무엇인가?
• RQ4 $Δ B=2$ 항의 CP 성질은 바리온 생성 시나리오에서 의미 있게 사용될 수 있는가?
• RQ5 동일한 구조에서 유도된 CP 보존 오른쪽 수동 중성자 질량 항의 물리적 의미는 무엇인가?

주요 결과

• $Δ B=2$ 상호작용의 CP-홀성은 $π/4$ 위상 회전에 대해 불변이 아니며, 이는 CP 위반이 바리온 생성에 대해 허위이자 물리적으로 의미가 없음을 의미한다.
• $π/4$ 위상 회전을 통해 CP-홀성 $Δ B=2$ 항은 CP-짝성 항으로 변환되며, 이는 바리온 수 위반 이론에서 CP 성질이 잘 정의되어 있지 않음을 보여준다.
• 로렌츠 불변 효과 이론에서 진짜 중성자-반중성자 진동은 파리티 위반을 필요로 한다. 파리티 보존 조건에서는 오직 일반적인 중성자에서 반중성자로의 전이만 발생한다.
• P-홀성과 P-짝성 $Δ B=2$ 항의 조합은 중성자를 중성자로 대체할 경우 CP 보존 오른쪽 수동 중성자 질량 항을 유도한다.
• CP 위반 질량 항(4)은 $Δ B=2$ 항을 수정하지 않고서는 제거할 수 없지만, CP 할당의 모호성으로 인해 물리적 의미는 의심스럽다.
• CPT 대칭은 유지되지만, $Δ B=2$ 상호작용가 존재할 경우 중성자와 반중성자는 잘 정의된 질량을 가진 자유 디рак 방정식을 만족하지 못한다.