[论文解读] Lepton number violating muon decay and the LSND neutrino anomaly

K. S. Babu, Sandip Pakvasa|ArXiv.org|Apr 19, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文提出，轻子数破坏的μ子衰变μ⁺ → e⁺ + ν̄ₑ + ν̄ᵢ（i = e, μ, τ）可在不引入惰性中微子的情况下解释LSND中微子反常。该机制依赖于标准模型中的两个ΔL = 2有效算符，可通过低于500 GeV的新标量实现的可重整化规范理论实现，预测在e⁺e⁻散射、Z⁰衰变中出现可观测偏离，且费米实验室的mini-BOONE实验将得到零结果。

ABSTRACT

We show that lepton number violating muon decays, μ^+ -> e^+ + ν_e-bar + ν_i-bar (i=e, μor τ), can consistently explain the neutrino anomaly reported by the LSND experiment. Two effective operators in the Standard Model are identified which lead to just such decays and no other processes. The scale of new physics Λmust be relatively low, Λ< 500 GeV. Extensions of the Standard Model which realize these effective operators are presented. Since new physics affects only the decay of the muon, and not of π^+-, our scenario predicts a null result for ν_μ-bar - ν_e-bar oscillation searches at the Fermilab mini--BOONE experiment. Models which realize these effective operators, while consistent with all available data, can be tested in the near future through (i) discovery of new scalar particles with masses below about 500 GeV, (ii) small but observable deviations in e^+ e^- -> μ^+ μ^- and e^+ e^- -> ννγcross sections, (iii) observable corrections to the muon g-2, and (iv) lepton number violating Z^0 decays with branching ratios of order 10^{-7}.

研究动机与目标

• 在不引入惰性中微子的情况下解决LSND中微子反常。
• 将LSND中观测到的ν̄ₑ过剩解释为μ⁺ → e⁺ + ν̄ₑ + ν̄ᵢ衰变的结果。
• 构建一个与现有稀有衰变约束无冲突的标准模型一致的扩展。
• 预测未来实验中的可检验信号，包括稀有Z⁰衰变和e⁺e⁻截面的偏离。
• 确保模型与π±衰变数据一致，从而与其它解释区分开来。

提出的方法

• 识别标准模型中能够介导轻子数破坏的μ子衰变μ⁺ → e⁺ + ν̄ₑ + ν̄ᵢ的两个ΔL = 2有效算符。
• 构建可重整化的规范模型（模型1和模型2），通过标量交换生成这些算符，包括双电荷希格斯玻色子（Δ⁺⁺）和单电荷希格斯（H⁺）。
• 利用有效算符计算分支比和截面，确保与实验限制一致。
• 分析现象学后果，包括e⁺e⁻ → μ⁺μ⁻和e⁺e⁻ → ννγ过程中的偏离。
• 评估稀有Z⁰衰变，如Z⁰ → e⁺μ⁻νν，估算分支比在10⁻⁷至10⁻⁸量级。
• 预测π±衰变不受影响，因此在mini-BOONE实验中将得到零信号，该实验探测的是μ → e + ν̄ₑ + ν̄ᵢ，而非π → μ + ν。

实验结果

研究问题

• RQ1 轻子数破坏的μ子衰变能否在不引入惰性中微子的情况下解释LSND中微子反常？
• RQ2 标准模型中是否存在能生成衰变μ⁺ → e⁺ + ν̄ₑ + ν̄ᵢ但不引发其他高度受限过程（如μ → 3e或τ → μee）的ΔL = 2有效算符？
• RQ3 此类新物理的表观特征是什么？如何在当前和未来的实验中检验？
• RQ4 为何在此模型中π±衰变保持不变？这对mini-BOONE实验意味着什么？
• RQ5 该模型能否在新标量粒子质量低于500 GeV的可重整化规范理论中实现？

主要发现

• LSND反常可通过轻子数破坏的衰变μ⁺ → e⁺ + ν̄ₑ + ν̄ᵢ得到解释，其分支比与观测信号一致。
• 识别出两个ΔL = 2有效算符，可生成该衰变而不引发如μ → 3e或τ → μee等被严格限制的过程。
• 新物理尺度被限制在Λ ≤ 500 GeV，意味着存在质量低于该量级的新标量粒子。
• 该模型预测在e⁺e⁻ → μ⁺μ⁻和e⁺e⁻ → ννγ截面中出现可观测偏离，后者受当前限制约束。
• 预测稀有Z⁰衰变如Z⁰ → e⁺μ⁻νν的分支比在10⁻⁷至10⁻⁸量级，未来实验可能探测到。
• 该模型预测费米实验室的mini-BOONE实验将得到零结果，因为新物理仅影响μ±衰变，不影响π±衰变。