[论文解读] On Baryon and Lepton Number Violation

P. Perez, A. Pocar+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本份SNOWMASS 2021报告全面回顾了标准模型之外的强子数与轻子数破坏（BLV）现象，分析了包括大统一理论、超对称性和 seesaw 机制在内的理论框架。报告评估了实验探测手段——无中微子双贝塔衰变、质子衰变、中子-反中子振荡以及对撞机信号——强调其揭示新物理的潜力，包括中微子质量起源与重子生成机制。

ABSTRACT

In this report we discuss the main theories to understand the origin of baryon and lepton number violation in physics beyond the Standard Model. We present the theoretical predictions for rare processes such as neutrinoless double beta decay, proton decay, and neutron-antineutron oscillation, and overview the prospects to discover these rare processes in the near future. The possibility to observe baryon and lepton violating signatures at current and future colliders and through precision studies of other rare processes, and the testability of different baryogenesis mechanisms is discussed in detail. A healthy and broad experimental program looking for proton decay, neutrinoless double beta decay and neutron-antineutron oscillations is essential to make new discoveries in this field. These searches are carried out at various experimental facilities in the US and abroad, and use instrumentation arching across traditional HEP/NP boundaries. In addition, experiments such as those at the Large Hadron Collider could discover exotic baryon and/or lepton number violating signatures connected to low energy scale theories for neutrino masses, supersymmetric models with R-parity violation, new gauge theories or other mechanisms for physics beyond the Standard Model. The landscape presented in this report could be crucial to discover the underlying mechanism for neutrino masses and the matter-antimatter asymmetry in the universe.

研究动机与目标

• 系统分析标准模型之外强子数与轻子数破坏（BLV）的理论模型。
• 评估不同BLV机制对稀有过程（如无中微子双贝塔衰变、质子衰变和中子-反中子振荡）的预测能力。
• 评估当前与未来对撞机、地下探测器及束流打靶实验中BLV信号的实验探测能力与可检验性。
• 探索BLV与宇宙学现象（包括重子生成与暗物质产生）之间的联系。
• 为未来BLV现象的理论与实验研究提供路线图。

提出的方法

• 将BLV理论分类为显式破缺与自发破缺情形，区分质子衰变（显式）与稳定质子结合马约拉纳中微子（自发）等预测。
• 分析生成中微子质量并诱导BLV过程的有效场论算符（如五维与六维算符）。
• 模拟R-宇称破坏的超对称理论、轻子荷子及低能BLV模型中长寿命粒子产生的位移顶点等对撞机信号。
• 评估现有与计划中的实验（如LHC、LHCb、Belle II及中子-反中子振荡探测器）对特定BLV信号的灵敏度。
• 评估重子生成机制（如轻子生成与介子生成），并将其与BLV能标及夸克与介子系统中的CP破坏联系起来。
• 利用宇宙学约束与精密测量结果，限定BLV的能标，将其与中微子质量生成机制及物质-反物质不对称性相联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准模型之外的强子数与轻子数破坏的关键理论框架有哪些？
• RQ2 不同BLV机制（如seesaw模型、R-宇称破坏、轻子荷子）如何在稀有衰变与对撞机中预测可观测信号？
• RQ3 当前与预期实验对无中微子双贝塔衰变、质子衰变及中子-反中子振荡的灵敏度如何？
• RQ4 对撞机实验如何探测与低能seesaw机制或长寿命粒子相关的奇异BLV信号？
• RQ5 BLV在产生宇宙物质-反物质不对称性中扮演何种角色？如何通过宇宙学与精密测量手段加以检验？

主要发现

• 显式破坏强子数与轻子数的理论模型预测质子衰变与马约拉纳中微子，而自发破缺则导致稳定质子及可能的狄拉克或马约拉纳中微子。
• 无中微子双贝塔衰变是探测马约拉纳中微子性质的关键手段，可约束有效马约拉纳质量标度，当前限制要求Σmν < 0.1 eV。
• 质子衰变由大统一理论（GUTs）预测，由规范玻色子介导强子数破坏过程，当前实验下限为质子寿命τp > 1.5 × 10^34年。
• 中子-反中子振荡是直接探测强子数破坏两单位的手段，实验约束为τn−n̄ > 10^8秒，未来实验目标为τ > 10^9秒。
• 低能BLV模型（如涉及长寿命粒子或介子生成的模型）可通过Belle II与LHCb探测到的位移顶点与稀有介子衰变进行检验。
• 介子生成提供一种新颖的重子生成机制，无需强子数破坏，其中B介子衰变中的CP破坏可产生不对称性，可通过寻找B数破坏的介子衰变进行检验。