[论文解读] Electron Decay

T. Pradhan|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2003

Quantum Mechanics and Applications被引用 3

一句话总结

本文提出电子、中微子和光子的复合模型，即由基本自旋-1/2费米子与标量粒子通过一种超强力束缚而成，该模型推导出基本费米子质量的下限为10²² GeV，并预测电子通过电荷不守恒发生衰变，其寿命超过2.7×10²³年，意味着复合结构仅在普朗克能标下显现。

ABSTRACT

The electron would decay into a photon and neutrino if the law of electric charge conservation is not respected. Such a decay would cause vacancy in closed shells of atoms giving rise to emission of x-rays and Auger electrons. Experimental searches for such very rare decay have given an estimate for the life time to be greater than $2.7 imes 10^{23}$ years. The simplest theoretical model which would give rise to such a decay is one where the electron is regarded as the first excited state and neutrino as the ground state of a fundamental spin 1/2 particle bound to a scalar particle by a super strong force and the photon is considered as a bound state of a fundamental spin 1/2 fermion-antifermion pair. The fine structure constant of the super strong coupling is found to be unity from the masslessness of the neutrino and the lower bound of the mass of the fundamental particles is estimated by using quantum mechanical formula for photon emission by atoms and found to be $10^{22}$ GeV from the bound for electron decay time indicating thereby that the composite nature of electron, neutrino and the photon would be revealed in the Planckian energy regime. A model based on extension of $SU(2)\otimes SU(2)$ symmetry of Dirac equation to $SU(3)\otimes SU(3)$ gives a lower bound for the mass of the gauge boson mediating the decay to be $10^9 GeV$ which is the geometric mean of the masses of the electron and the fundamental particles.

研究动机与目标

• 探讨电子是否为基本费米子通过超强作用力束缚而成的复合态的可能性。
• 通过推导电子衰变寿命的下限，解释自然界中电子衰变的缺失。
• 通过量子力学光子发射模型，将电子的观测稳定性与基本粒子的质量标度联系起来。
• 将狄拉克方程的SU(2)⊗SU(2)对称性扩展至SU(3)⊗SU(3)，以约束衰变媒介规范玻色子的质量。

提出的方法

• 将电子建模为自旋-1/2粒子与标量通过超强作用力束缚的体系中的第一激发态，中微子则为基态。
• 将光子视为费米子-反费米子对结合而成的束缚态，并设定精细结构常数为1。
• 应用量子力学原子跃迁公式，估算电子通过X射线和俄歇电子发射的衰变速率。
• 利用实验观测到的电子寿命下限（2.7×10²³年）来约束基本费米子的质量。
• 将狄拉克方程的SU(2)⊗SU(2)对称性扩展至SU(3)⊗SU(3)，以推导衰变过程的规范玻色子质量。
• 通过计算电子与基本费米子质量的几何平均值，得出规范玻色子质量为10⁹ GeV。

实验结果

研究问题

• RQ1 电子的观测稳定性是否可通过包含超强束缚费米子-标量系统的复合结构来解释？
• RQ2 若电子通过电荷守恒的破坏发生衰变，基本费米子的最小质量尺度是多少？
• RQ3 观测到的电子寿命下限如何约束复合模型中基本组分的质量？
• RQ4 SU(3)⊗SU(3)对称性扩展在预测衰变媒介规范玻色子质量方面起到什么作用？
• RQ5 在此框架下，光子能否被一致地描述为基本费米子-反费米子对的束缚态？

主要发现

• 基于实验搜索，电子衰变寿命被约束在2.7×10²³年以上。
• 利用原子退激发的量子力学模型，估算出基本费米子质量为10²² GeV。
• 超强作用力的精细结构常数被确定为1，与中微子质量为零一致。
• SU(3)⊗SU(3)扩展得出的规范玻色子质量为10⁹ GeV，即电子与基本费米子质量的几何平均值。
• 该模型表明，电子、中微子与光子的复合性质仅在普朗克能标下才会显现。
• 该模型提供了一个理论框架，将电荷不守恒、复合结构与高能对称性扩展联系起来。