Chiral matching of dimension-7 baryon-number-violating operators and application to $\Delta I=3/2$ nucleon decays

Het universum is gebouwd op een reeks onzichtbare regels die bepalen hoe materie zich gedraagt en verandert. Een van de meest fundamentele van deze regels is de behoudswet van het baryongetal, een principe dat stelt dat de totale hoeveelheid gewone materie, zoals de protonen en neutronen in een atoom, constant zou moeten blijven in de tijd. Decennialang hebben natuurkundigen gezocht naar een barst in deze regel, een zeldzame gebeurtenis waarbij een proton of neutron simpelweg verdwijnt en transformeert in lichtere deeltjes. Het vinden van een dergelijke gebeurtenis zou een monumentale ontdekking zijn, die bewijst dat materie niet eeuwig is en een blik biedt op de fysica die bestond vlak na de oerknal. Hoewel de bekendste pogingen om dit verval te vinden zich richten op de eenvoudigst mogelijke veranderingen, suggereert een nieuwe studie dat het universum zijn geheimen mogelijk verbergt in complexere, drie-deeltjes transformaties die grotendeels over het hoofd zijn gezien.

Een onderzoeker heeft nu de aandacht gericht op deze meer complexe mogelijkheden, specif으로 kijkend naar een type verval waarbij een neutron of proton uiteenvalt in een lepton en meerdere pionen, een proces dat een specifieke verschuiving in de interne symmetrie van de betrokken deeltjes vereist. Om dit te doen, moest de onderzoeker de kloof overbruggen tussen de hoogenergetische wereld van theoretische deeltjes en de laagenergetische wereld van de atomen die we daadwerkelijk kunnen waarnemen. De onderzoeker ontwikkelde een nieuw wiskundig kader om het gedrag van exotische, hoogenergetische krachten te vertalen naar de taal van de kernfysica. Dit maakte het mogelijk om de theoretische frequenties voor deze zeldzame, multi-deeltjes vervallen te berekenen, mochten de onderliggende regels van de natuur dit toestaan. Het werk laat zien dat hoewel deze gebeurtenissen ongelooflijk zeldzaam zijn, ze theoretisch mogelijk zijn, en dat ze een nieuwe reeks doelwitten bieden voor de enorme detectoren die momenteel de diepten van de aarde en de oceaan scannen.

De onderzoeker begon met het organiseren van de theoretische instrumenten die worden gebruikt om deze potentiële vervallen te beschrijven. In het standaardmodel van de deeltjesfysica worden krachten vaak beschreven door operatoren, wat wiskundige beschrijvingen zijn van hoe deeltjes met elkaar interageren. De meeste eerdere zoektochten richtten zich op de eenvoudigste interacties, maar deze onderzoeker realiseerde zich dat een complexere klasse van interacties, waarbij een extra laag van beweging of verandering betrokken is, verantwoordelijk zou kunnen zijn voor het specifieke type verval waar zij in geïnteresseerd was. Zij classificeerden deze complexe interacties in twee verschillende groepen op basis van hoe de deeltjes draaien en bewegen, waardoor een heldere kaart werd gecreëerd van alle mogelijke manieren waarop deze vervallen kunnen plaatsvinden. Vervolgens gebruikte zij een techniek genaamd chirale perturbatietheorie om deze hoogwaardige beschrijvingen te vertalen naar concrete voorspellingen over wat er binnen een kern gebeurt. Deze stap was cruciaal omdat het hen in staat stelde om abstracte theorieën te verbinden met de werkelijke deeltjes, zoals protonen, neutronen en pionen, waarvoor de detectoren zijn gebouwd.

Met dit nieuwe kader in gereedheid berekende de onderzoeker de verwachte frequenties voor verschillende specifieke vervalmodi. Zij keken naar het verval van een neutron in een geladen deeltje en een enkele pion, evenals complexere scenario's waarbij een neutron of proton uiteenvalt in een geladen deeltje en twee pionen, of een geladen deeltje, een pion en een eta-deeltje. De resultaten toonden aan dat deze drie-deeltjes vervallen aanzienlijk onderdrukt zijn in vergelijking met de eenvoudigere twee-deeltjes versies, wat betekent dat ze veel minder frequent voorkomen. De onderzoeker stelde echter vast dat de regels die deze vervallen beheersen nauw met elkaar verbonden zijn. Als de eenvoudiger twee-deeltjes vervallen verboden of extreem zeldzaam zijn, kunnen de complexere drie-deeltjes versies mogelijk nog steeds plaatsvinden, of andersom. Door gebruik te maken van de strikte experimentele limieten die al zijn vastgesteld voor de eenvoudiger twee-deeltjes vervallen, was zij in staat om nieuwe, veel striktere indirecte beperkingen af te leiden voor de drie-deeltjes modi.

De implicaties van deze berekeningen zijn diepgaand voor toekomstige experimenten. De onderzoeker vond dat de huidige experimentele limieten op de eenvoudigere vervallen de mogelijkheid al uitsluiten dat de drie-deeltjes vervallen plaatsvinden met frequenties die gemakkelijk zichtbaar zouden zijn in huidige detectoren. Specifiek, door gebruik te maken van correlaties tussen de vervalmodi, leidde zij indirecte ondergrenzen af die suggereren dat de levensduur van een proton of neutron voordat het deze specifieke drie-deeltjes vervallen ondergaat, langer moet zijn dan $10^{32}$ tot $10^{35}$ jaar, afhankelijk van de exacte modus. Om dit in perspectief te plaatsen: het universum is slechts ongeveer $1,3 \times 10^{10}$ jaar oud, wat betekent dat deze gebeurtenissen zo zeldzaam zijn dat een enkel atoom waarschijnlijk langer zou wachten dan de huidige leeftijd van het universum voordat het op deze manier vervalt. Ondanks deze extreme zeldzaamheid biedt de studie een duidelijk stappenplan voor wat toekomstige experimenten moeten zoeken.

Om te garanderen dat haar bevindingen niet slechts theoretische oefeningen waren, construeerde de onderzoeker ook een concreet model van nieuwe fysica die deze specifieke interacties zou kunnen genereren. Zij stelde een scenario voor met zware, onontdekte deeltjes die op een manier met gewone materie interageren die de behoudswet van het baryongetal schendt. In dit model fungeren de zware deeltjes als tussenpersonen die het vervalproces faciliteren op een niveau dat overeenkomt met de berekeningen van de onderzoeker. Dit model suggereert ook dat dezelfde fysica die verantwoordelijk is voor deze vervallen, gekoppeld zou kunnen zijn aan andere grote mysteries, zoals de aard van donkere materie en de reden waarom het universum uit materie bestaat in plaats van antimaterie. Door de zoektocht naar protonverval te verbinden aan deze bredere vragen, voegt de studie aanzienlijk gewicht toe aan het argument voor het voortzetten van de jacht op deze exotische gebeurtenissen.

Het werk dient uiteindelijk als een uitgebreide gids voor de volgende generatie neutrino- en protonvervalexperimenten. Door de theoretische mogelijkheden systematisch in kaart te brengen en ze te vertalen naar waarneembare voorspellingen, heeft de onderzoeker de experimentele gemeenschap voorzien van een verfijnd pakket aan doelwitten. Zij heeft aangetoond dat hoewel het universum zijn geheimen wellicht goed verborgen houdt, de regels van het spel nu duidelijker zijn dan ooit tevoren. De volgende stap is voor enorme detectoren, in staat om miljarden atomen decennialang te observeren, om te zien of de natuur ervoor heeft gekozen om een van deze zeldzame, drie-deeltjes transformaties te onthullen. Als dat gebeurt, zal het niet alleen bevestigen dat er een nieuwe manier is waarop materie kan vervallen, maar ook een venster openen naar de fundamentele krachten die het kosmos hebben gevormd.