[论文解读] How long does the hydrogen atom live?

David McKeen, Maxim Pospelov|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2020

Various Chemistry Research Topics被引用 5

一句话总结

本文研究了原子氢通过发射数百keV光子的辐射衰变，提出即使质子稳定，氢也可能发生衰变。利用Borexino探测器的数据，作者推导出氢寿命的上限约为$\sim10^{30}\,\text{s}$，约束了中子-暗色重子混合的模型，并为标准模型之外的新物理提供了直接探测。

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.

研究动机与目标

• 研究在质子稳定的情况下，是否存在新轻子数守恒的粒子时，原子氢是否仍可发生衰变。
• 探讨中子寿命异常以及中子与暗费米子$\chi$混合的暗物质模型的含义。
• 利用现有数据中可探测的辐射衰变模式，推导氢衰变的实验约束。
• 检验在新物理情景中，氢的稳定性与质子稳定性解耦的假设。
• 利用Borexino探测器的低能谱，提供氢衰变的直接、模型无关的约束。

提出的方法

• 通过辐射跃迁$\rm H \to X\gamma$建模氢衰变，其中$X$为轻的不可见粒子，光子能量$Q \sim 300\,\text{keV}$。
• 使用有效场论（EFT）方法描述涉及$qqq\chi$和$\bar{e}^c p \phi$的维度6算符，导致$\rm H \to \phi\gamma$。
• 应用费米黄金法则计算衰变率$\Gamma_{\rm H\to\phi\gamma} \propto |\psi(0)|^2 \alpha \lambda^2 Q / m_e^2 M$，其中$\psi(0)$为电子在原子核处的波函数。
• 将预测的光子谱与Borexino的低能数据进行比较，特别是约200 keV的能量阈值区域。
• 根据Borexino数据中未观测到信号，推导出中子-$\chi$混合模型中混合角$\theta$的上限。
• 利用宇宙学约束和$^{14}\rm C$背景测量，交叉验证并限制其他衰变通道。

实验结果

研究问题

• RQ1 在涉及轻子数守恒的新粒子作用下，即使质子稳定，原子氢是否仍可发生衰变？
• RQ2 在Borexino等现有低能探测器中，氢的辐射衰变可探测到的信号特征是什么？
• RQ3 基于Borexino数据的氢衰变约束与宇宙学限制或其他实验限制相比如何？
• RQ4 中子寿命异常在多大程度上可由中子-$\chi$混合模型解释？由此对$\theta$的约束是什么？
• RQ5 若$\chi$为质量接近质子的稳定暗重子，对暗物质模型有何影响？

主要发现

• Borexino实验基于约200 keV光子能量窗口中未观测到信号，给出了氢寿命在90%置信水平下的上限，$\tau_{\rm H} \gtrsim 10^{30}\,\text{s}$。
• 对于中子-$\chi$混合模型，混合角被约束为$\theta \lesssim 10^{-11}$，且在宽广的参数空间内，$n\to\chi\gamma$的分支比小于$10^{-4}$。
• 基于与$^{14}\rm C$背景的保守比较，辐射衰变速率的上限为$\text{Br}_{\rm H\to X\gamma} \times \tau_{\rm H}^{-1} < 10^{-29}\,\text{s}^{-1}$。
• Borexino的约束显著强于宇宙学限制，后者对同一可观测量的上限仅为$10^{-24}\,\text{s}^{-1}$。
• 具有与$\bar{e}^c p$耦合的暗标量$\phi$的模型因主导的光子发射而受到强烈约束，导致$\tau_{\rm H} \gtrsim 10^{28}\,\text{yr}$。
• 辐射衰变模式为中子-$\chi$混合提供了直接探测，避免了$^{11}\rm Be$或其他原子核中核介质效应的复杂性。