[论文解读] Inverse neutrinoless double beta decay (and other Delta L=2 processes)

David London|ArXiv.org|Jul 19, 1999

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文研究了在未来对撞机上探测轻子数违反过程（如逆中微子无宇称双贝塔衰变）的可行性，重点关注ΔL = 2过程，例如e⁻e⁻ → W⁻W⁻和μ⁻μ⁻ → W⁻W⁻。结果表明，除非√s ≳ 2 TeV，否则e⁻e⁻ → W⁻W⁻受无中微子双贝塔衰变的限制而无法观测；而由于μ⁻μ⁻ → W⁻W⁻不受μ中微子质量类似约束的影响，因此在较低能量下可能可观测。

ABSTRACT

I review the prospects for the detection of Delta L=2 processes at future colliders. Except in contrived models, the process e- e- -> W- W- is unobservable at future linear colliders unless $\sqrt{s} \gsim 2$ TeV, due to constraints from neutrinoless double beta decay. As there are no analogous constraints on the Majorana mass of the $ν_μ$, mu- mu- -> W- W- could be observed at a muon collider with considerably lower $\sqrt{s}$. One can also consider esoteric processes such as gamma gamma -> mu+ mu+ W- W-. Such processes may be observable if $\sqrt{s} \gsim 4$ TeV.

研究动机与目标

• 评估未来直线对撞机和μ子对撞机上ΔL = 2过程（特别是逆中微子无宇称双贝塔衰变）的可探测性。
• 评估现有无中微子双贝塔衰变极限对直线对撞机上e⁻e⁻ → W⁻W⁻观测的约束。
• 探讨μ子对撞机是否能在低于电子对撞机的质心系能量下实现μ⁻μ⁻ → W⁻W⁻的观测。
• 考察在高能对撞机上观测如γγ → μ⁺μ⁺W⁻W⁻等奇异过程的潜力。
• 确定在现实模型约束下观测这些轻子数违反过程所需的能量阈值。

提出的方法

• 分析无中微子双贝塔衰变对电子中微子有效马约拉纳质量的约束。
• 将这些约束应用于未来直线对撞机上的e⁻e⁻ → W⁻W⁻过程，表明观测要求√s ≳ 2 TeV。
• 考虑μ中微子马约拉纳质量无类似约束，使得μ⁻μ⁻ → W⁻W⁻可在更低能量下观测。
• 评估高能对撞机上更高多重性过程（如γγ → μ⁺μ⁺W⁻W⁻）的截面与运动学可行性。
• 使用有效场论技术，在轻子数违反的背景下建模ΔL = 2相互作用。
• 基于现有实验约束，比较不同类型对撞机（电子对撞机与μ子对撞机）对ΔL = 2信号的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无中微子双贝塔衰变约束下，直线对撞机上观测e⁻e⁻ → W⁻W⁻所需的最小质心系能量是多少？
• RQ2 为何μ⁻μ⁻ → W⁻W⁻过程可能在低于e⁻e⁻ → W⁻W⁻的能量下被观测到？
• RQ3 对如γγ → μ⁺μ⁺W⁻W⁻等奇异ΔL = 2过程，其运动学与截面约束为何？
• RQ4 无中微子双贝塔衰变的限制如何影响在e⁻e⁻碰撞中观测ΔL = 2过程的可行性？
• RQ5 μ子对撞机是否能为探测轻子数违反相互作用提供比电子对撞机更有利的环境？

主要发现

• 由于无中微子双贝塔衰变对电子中微子马约拉纳质量施加了严格约束，因此除非√s ≳ 2 TeV，否则未来直线对撞机无法观测e⁻e⁻ → W⁻W⁻过程。
• 相比之下，由于μ中微子马约拉纳质量无类似约束，μ⁻μ⁻ → W⁻W⁻可在μ子对撞机上以显著更低的质心系能量被观测到。
• 如γγ → μ⁺μ⁺W⁻W⁻等奇异过程可能在√s ≳ 4 TeV下可观测，具体取决于模型参数与截面大小。
• μ中微子马约拉纳质量缺乏强约束，使得在较低能量下μ⁻μ⁻ → W⁻W⁻的探测范围更广。
• 本研究强调了μ子对撞机在探测电子对撞机无法触及的轻子数违反物理方面的互补作用。
• 结果表明，若底层物理在可及能量尺度下实现，未来对撞机（尤其是μ子对撞机）为测试ΔL = 2过程提供了切实可行的路径。