[论文解读] A possible shortcut for neutron--antineutron oscillation

Zurab Berezhiani|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2020

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 2

一句话总结

本文提出了一种由假想镜像中子（n′）和反镜像中子（ύbar′）态介导的新机制，用于中子-反中子（n–ύbar）振荡，使得跃迁概率显著增强——在磁场精确调谐至约1 mG时，P_{n\bar n}(t) ≈ (t/0.1 ms)^4 × 10^{-8}——远超标准模型的约束，前提是磁场调谐精度达到约1 mG。

ABSTRACT

Existing limits on the neutron-antineutron mass mixing imply a strict upper limit on $n - \bar n$ transition probability after a flight time $t$, $P_{n\bar n}(t) < (t/0.1 ~{ m s})^2 imes 10^{-18}$. In this letter we propose a new mechanism of $n- \bar n$ transition mediated via the neutron mixings with the hypothetical states of mirror neutron $n'$ and antineutron $\bar n'$. The existing limits allow $n-n'$ and $n-\bar n'$ mixings to be rather large, remarkably without any contradiction with the nuclear stability bounds. This opens up a possibility of $n-\bar n$ transition with the probability as large as $P_{n\bar n}(t) = P_{nn'}(t) P_{n\bar n'}(t) \sim (t/0.1 ~{ m s})^4 imes 10^{-8} $. For achieving so effective conversion of the neutron into the antineutron in real experiments the magnetic field should be properly tuned with the precision of 1 mG or so.

研究动机与目标

• 探索一种绕过现有中子-反中子直接混合严格约束的新机制。
• 研究中子与假想镜像中子/反镜像中子态之间大混合是否可与核稳定性约束共存。
• 确定此类混合是否可导致n–ύbar跃迁概率显著增强，从而使该过程在实验中可被探测。
• 确定实现该增强跃迁速率所必需的实验条件，特别是磁场调谐。

提出的方法

• 提出一种两步跃迁机制：n → n′，随后n′ → ύbar，由大的n–n′和n–ύbar′混合介导。
• 利用现有n–ύbar质量混合的实验限制，约束允许的n–n′和n–ύbar′混合大小。
• 应用跃迁概率公式P_{n\bar n}(t) = P_{nn'}(t) P_{n\bar n'}(t)来估算有效n–ύbar振荡速率。
• 假设混合足够大，即使中间态存在抑制，仍可使两步过程保持显著振幅。
• 考虑外加磁场在调谐能级以实现共振增强跃迁振幅中的作用。
• 推导出需约1 mG的磁场精度，以实现最佳共振并获得最大跃迁概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 大的n–n′和n–ύbar′混合是否与当前核稳定性约束及n–ύbar振荡的实验限制相容？
• RQ2 两步跃迁n → n′ → ύbar是否能提供一种可行的捷径，使n–ύbar振荡超越标准模型约束？
• RQ3 在此机制下，n–ύbar跃迁概率的最大可实现值是多少？其随时间的依赖关系如何？
• RQ4 实现增强跃迁速率所必需的实验条件（尤其是磁场调谐）是什么？

主要发现

• 所提出的机制使n–ύbar跃迁概率可达到P_{n\bar n}(t) ≈ (t/0.1 ms)^4 × 10^{-8}，远超标准模型约束的(t/0.1 ms)^2 × 10^{-18}。
• 尽管若直接耦合至n–ύbar，大的n–n′和n–ύbar′混合会与核稳定性冲突，但当前约束仍允许此类混合存在。
• 跃迁速率与时间的四次方成正比，表明其相比标准模型的二次方依赖关系具有强烈非线性增强。
• 通过磁场调谐至约1 mG精度实现共振增强，是获得最大跃迁概率的必要条件。
• 该机制为未来实验中探测n–ύbar振荡提供了可行的理论路径，前提是能精确控制外部磁场。
• 该模型与所有当前关于中子-反中子振荡和核稳定性的实验限制保持一致。