보이지 않는 중성자 붕괴와 새로운 경량 입자

초록

표준 모델에 오른쪽 손잡이 중성미자 혹은 알프, 초경량 스칼라, 라이트 Z′ 를 추가하면 차원 7‑9 의 연산자를 통해 보이지 않는 중성자 붕괴가 가능해진다 이 논문은 네 가지 경우에 대한 효과적 연산자와 트리 레벨 UV 완성을 제시하고 LHC 탐색과 연계된 제한을 논의한다

상세 분석

표준 모델 유효장 이론(SMEFT)에서는 보이지 않는 중성자 붕괴가 차원 12 연산자를 통해서만 발생한다 그러나 경량 보조 입자를 도입하면 차원이 크게 낮아진다 예를 들어 오른쪽 손잡이 중성미자(NR)를 두 개 이상 추가하면 차원 9 연산자 O_N1 과 O_N2 가 생성되어 n→¯N¯N¯N 형태의 보이지 않는 붕괴가 가능해진다 이때 연산자 계수와 스케일 Λ 에 따라 반감기가 10^29 년 수준으로 추정된다 또 알프(ALP)를 NR과 함께 도입하면 파생 연산자 (∂μa)¯Nγμd_R(u_R d_R) 형태의 차원 8 연산자가 등장한다 이 경우는 두 몸 붕괴 n→N a 로 이어질 수 있으며 스케일은 10^8 GeV 정도가 필요하다 초경량 스칼라 φ 혹은 라이트 벡터 Z′ 를 NR과 결합하면 차원 7 연산자가 형성되어 n→¯N φ 혹은 n→¯N Z′ 로 진행된다 이때 Λ 가 수백 TeV 수준이면 현재 및 향후 실험 한계에 도달할 수 있다 논문은 이러한 연산자를 트리 레벨에서 구현할 수 있는 다양한 색입자, 스칼라, 페르미온, 벡터 매개체 모델을 열거하고 각 모델에 대한 LHC 검색 채널(다중 제트, 다중 레프톤, 메트릭스 등)을 연결시켜 제한을 도출한다 또한 d=9 연산자를 억제하기 위한 대칭 구조와 “블랙 박스 정리”를 제시하여 특정 연산자만 선택적으로 존재하도록 하는 조건을 분석한다