Baryon-number-violating nucleon decays in SMEFT extended with a light scalar

1. Problématique et Contexte

La violation du nombre baryonique (BNV) est une prédiction fondamentale de nombreuses théories au-delà du Modèle Standard (BSM), nécessaire pour expliquer l'asymétrie matière-antimatière de l'univers. Les expériences de prochaine génération (JUNO, Hyper-Kamiokande, DUNE) visent à détecter la désintégration du nucléon.

Cependant, la plupart des recherches se concentrent sur des modes de désintégration standard (ex: $p \to e^+ \pi^0$). Cet article s'intéresse à une classe exotique de désintégrations impliquant une nouvelle particule scalaire légère ($\phi$). Ces processus sont pertinents car ils pourraient être liés à l'anomalie de la durée de vie du neutron, à la matière noire, ou à d'autres phénomènes BSM. Le défi consiste à établir un cadre théorique rigoureux pour prédire les signatures expérimentales de ces désintégrations à trois corps (ex: $p \to e^+ \pi^0 \phi$) et à deux corps ($p \to e^+ \phi$), et à contraindre les paramètres du modèle à l'aide des données existantes.

2. Méthodologie

Les auteurs adoptent une approche hiérarchique basée sur la théorie effective des champs (EFT) et la théorie des perturbations chirales :

• Cadre EFT ($\phi$SMEFT et $\phi$LEFT) :

  • Ils commencent par le Modèle Standard Effectif (SMEFT) étendu par un scalaire singulet léger $\phi$. Ils identifient les opérateurs BNV dominants : des opérateurs de dimension 7 ($\Delta(B-L)=0$) et de dimension 8 ($\Delta(B+L)=0$).
  • Ils effectuent un appariement (matching) à l'échelle électrofaible pour dériver le LEFT (Low-Energy EFT) étendu ($\phi$LEFT), contenant les opérateurs de dimension 7 impliquant les quarks légers ($u, d, s$) et les leptons.
  • Les corrections du groupe de renormalisation (RG) sont incluses pour faire évoluer les coefficients de Wilson de l'échelle de nouvelle physique ($\Lambda_{NP}$) jusqu'à l'échelle de brisure de symétrie chirale ($\Lambda_\chi \approx 1.2$ GeV).

• Théorie des Perturbations Chirales (ChPT) :

  • Pour calculer les éléments de matrice hadroniques (transition quark $\to$ nucléon), ils utilisent la ChPT baryonique.
  • Les opérateurs de quark sont mappés sur des opérateurs hadroniques impliquant les baryons de l'octet et les mésons pseudo-scalaires ($\pi, K, \eta$).
  • Ils dérivent des expressions générales pour les largeurs de désintégration à deux corps ($N \to \ell \phi$) et à trois corps ($N \to \ell M \phi$), incluant les diagrammes de contact et les échanges de baryons intermédiaires.

• Analyse Expérimentale et Contraintes :

  • Reinterprétation des données : Les auteurs réanalysent les données du Super-Kamiokande (Super-K) pour les canaux $p \to e^+(\mu^+) \phi$ et $n \to \bar{\nu} \pi^0 \phi$, en tenant compte des effets nucléaires (énergie de liaison, impulsion de Fermi) et en adaptant les distributions de moment pour des scalaires massifs.
  • Contraintes indirectes : Ils utilisent les limites sur les désintégrations invisibles du neutron (SNO+, JUNO) et les recherches inclusives de désintégrations protones.
  • Désintégrations dinucléaires : Ils étudient les transitions $\Delta B = 2$ (ex: $pp \to \ell^+ \ell^+$) médiées par un échange $t$-channel du scalaire, qui deviennent pertinentes lorsque $m_\phi > m_N$.

• Modèles UV-complets :

  • Ils proposent trois modèles ultraviolets (UV) complets (impliquant des leptoquarks et des quarks vectoriels) capables de générer ces opérateurs de dimension 7 et 8 à l'ordre dominant, tout en supprimant les opérateurs de dimension inférieure sans le scalaire.

3. Contributions Clés

1. Formalisme Complet : Établissement d'un cadre théorique systématique pour les désintégrations de nucléons avec un scalaire léger, couvrant les opérateurs de dimension 7 et 8, et fournissant les expressions analytiques des largeurs de désintégration et des distributions de moment.
2. Limites Expérimentales Renouvelées :
   • Établissement de limites strictes sur la durée de vie des désintégrations à deux corps ($p \to e^+ \phi$) et à trois corps ($n \to \bar{\nu} \pi^0 \phi$) sur toute la gamme de masse cinématiquement permise pour $\phi$.
   • Démonstration que les effets nucléaires modifient significativement les limites pour des masses de scalaires élevées ($m_\phi \gtrsim 0.8$ GeV).
3. Contraintes sur les Coefficients de Wilson :
   • Conversion des limites de durée de vie en contraintes sur les échelles effectives des opérateurs $\phi$LEFT et $\phi$SMEFT.
   • Pour les opérateurs de dimension 7, les échelles effectives sont contraintes à être supérieures à $\mathcal{O}(10^9)$ GeV.
   • Pour les opérateurs de dimension 8, les échelles sont contraintes à $\mathcal{O}(10^7)$ GeV.
4. Complémentarité des Canaux : Mise en évidence du rôle complémentaire des désintégrations de nucléons uniques et des désintégrations dinucléaires. Alors que les désintégrations uniques sont plus sensibles aux basses masses, les désintégrations dinucléaires ($pp \to \ell^+ \ell^+$) fournissent des contraintes uniques lorsque $m_\phi > m_n$, là où les désintégrations simples sont cinématiquement interdites.
5. Modèles UV : Construction de modèles explicites (leptoquarks, quarks vectoriels) qui réalisent naturellement ces interactions BNV avec un scalaire léger, le rendant également candidat à la matière noire.

4. Résultats Principaux

• Distributions de Moment : Les distributions de moment des leptons chargés et des mésons dans les désintégrations à trois corps dépendent fortement de la masse du scalaire et de la structure chirale des opérateurs (combinaisons de coefficients $C_L$ et $C_R$). Ces signatures sont cruciales pour distinguer les modèles expérimentalement.
• Limites de Durée de Vie :
  • Pour $m_\phi \to 0$, les limites sur les désintégrations à trois corps sont de l'ordre de $10^{32}$ à $10^{36}$ années, selon le canal.
  • Les limites sur les opérateurs $\phi$LEFT impliquant des quarks de première génération sont très strictes, excluant des échelles d'énergie inférieures à plusieurs $10^9$ GeV.
• Rôle des Désintégrations Dinucléaires : Pour $m_\phi > m_n$, les désintégrations dinucléaires imposent une limite sur l'échelle effective de l'ordre de $1$ TeV, comblant le vide laissé par les recherches de désintégrations simples.
• Sensibilité Future : Les expériences JUNO et Hyper-Kamiokande devraient améliorer la sensibilité aux durées de vie partielles d'un facteur 2,6 à 3,3 par rapport aux résultats actuels de Super-K.

5. Signification et Impact

Cet article fournit un outil théorique essentiel pour les expériences de physique des neutrinos et de désintégration du proton. En cartographiant systématiquement les signatures des désintégrations BNV avec des particules légères, il guide les stratégies de recherche pour les futurs détecteurs (JUNO, DUNE, Hyper-K).

La démonstration que les désintégrations dinucléaires offrent une fenêtre de sensibilité complémentaire pour des masses de scalaires élevées est une contribution majeure, élargissant le paysage de recherche au-delà des canaux traditionnels. Enfin, la connexion proposée entre ces désintégrations BNV et la matière noire scalaire ouvre une voie prometteuse pour l'unification de la physique des particules et de la cosmologie, suggérant que la recherche de la violation du nombre baryonique pourrait révéler la nature de la matière noire.