[论文解读] Detecting Majorana nature of neutrinos in muon and tau decay

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

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出，通过在希格斯三重态模型（HTM）中精确测量μ子衰变（$\mu \to e\nu\bar{\nu}$）和$\mu \to e\gamma$，可探测中微子的马约拉纳性质。由于中微子的马约拉纳特性，W玻色子与带电希格斯玻色子图之间的干涉导致μ子衰变率出现可观测的偏离，该偏离可达数倍$10^{-4}\%$，尽管存在重整化效应，仍可能在未来高精度实验中被探测到。

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.

研究动机与目标

• 探究中微子的马约拉纳性质是否可通过稀有μ子衰变探测，避免依赖无中微子双贝塔衰变。
• 评估在低能过程如$\mu \to e\nu\bar{\nu}$和$\mu \to e\gamma$中，马约拉纳中微子效应的可探测性。
• 比较双希格斯双重态模型（THDM）与希格斯三重态模型（HTM）在实现可观测偏离方面的敏感性，尤其针对大中微子Yukawa耦合的情形。
• 探讨是否可通过类似干涉效应，在τ轻子衰变（$\tau \to \ell N\bar{N}$）中测量有效中微子质量。

提出的方法

• 分析希格斯三重态模型（HTM）中μ子衰变振幅，重点关注W玻色子交换与带电希格斯玻色子交换图之间的干涉。
• 推导包含带电希格斯交换和中微子马约拉纳干涉贡献的修正μ子衰变率$\Gamma(\mu \to e\nu\bar{\nu})$。
• 利用有效中微子质量$\langle m_\nu \rangle_{\mu e} = \sum_j m_{\nu j} U_{\mu j}^* U_{ej}$，将干涉项表示为可测量参数的形式。
• 将THDM中效应与小真空期望值$v_\nu \ll v$的情形进行比较，此时信号过小，无法探测。
• 应用$\mu \to ee\bar{e}$和$\mu \to e\gamma$的实验约束，以限制三重态真空期望值$v_\Delta$和带电希格斯玻色子质量$m_{\Delta^{\pm}}$。
• 通过将预测偏离与当前及未来实验精度$\sim 10^{-3}\%$进行比较，评估信号的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过μ子衰变过程（如$\mu \to e\nu\bar{\nu}$和$\mu \to e\gamma$）的精密测量探测中微子的马约拉纳性质？
• RQ2 在希格斯三重态模型中，W玻色子与带电希格斯玻色子图之间的干涉导致μ子衰变率偏离的大小是多少？
• RQ3 为何在希格斯三重态模型中信号显著，而在小$v_\nu$的双希格斯双重态模型中信号可忽略？
• RQ4 在相同框架下，是否可通过$\tau \to \ell N\bar{N}$衰变探测τ轻子的有效中微子质量？
• RQ5 该信号是否对$G_F$的重整化具有鲁棒性，且能否与SM贡献分离？

主要发现

• 在希格斯三重态模型中，μ子衰变率$\Gamma(\mu \to e\nu\bar{\nu})$相对于SM预测的偏离可达数倍$10^{-4}\%$，使其在未来的高精度实验中具有潜在可探测性。
• W玻色子与带电希格斯玻色子图之间的干涉项——由中微子的马约拉纳特性所允许——是可观测信号的关键来源。
• 在双希格斯双重态模型中，若$v_\nu$较小，则信号被抑制为$v_\nu/v \ll 1$，导致当前或近未来实验灵敏度下无法探测。
• 希格斯三重态模型允许大中微子Yukawa耦合，但这些耦合受$\mu \to ee\bar{e}$未观测到的限制，对$m_{\nu} \sim 0.05\text{eV}$和$m_{\Delta^{\pm\pm}} \sim 100\text{GeV}$情形，设定$v_\Delta \gtrsim 70\text{eV}$的下限。
• 有效中微子质量$\langle m_\nu \rangle_{\mu e}$出现在干涉项中，为可观测衰变率与中微子质量矩阵之间提供了直接联系。
• τ轻子衰变如$\tau \to \ell N\bar{N}$可能提供一种补充探测途径，由于对轻子味破坏的实验限制较宽松，其偏离幅度可能大于μ子衰变。