[論文レビュー] A Combined Limit on the Neutrino Mass from Neutrinoless Double-Beta Decay and Constraints on Sterile Majorana Neutrinos

P. Guzowski, Luke A. Barnes+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2015

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、複数の無ニュートリノ二重ベータ崩壊実験の全エネルギー分布を用い、CL$_s$手法と核行列要素（NME）モデルを適用して、効果的ニュートリノ質量 $m_{\beta\beta}$ に対する最初の統合限界を提示する。統合限界は、NMEの不確実性に応じて130–310 meVの範囲にのぼり、(3+1)モデルにおけるステアリングメジャノネニュートリノの制約をもたらす。特にNMEが最も正確で、メジャノネ位相が有利な場合に最も高い感度を示す。

ABSTRACT

We present a framework to combine data from the latest neutrinoless double-beta decay experiments for multiple isotopes and derive a limit on the effective neutrino mass using the experimental energy distributions. The combined limits on the effective mass range between 130-310 meV, where the spread is due to different model calculations of nuclear matrix elements (NMEs). The statistical consistency (p values) between this result and the signal observation claimed by the Heidelberg-Moscow experiment is derived. The limits on the effective mass are also evaluated in a (3+1) sterile neutrino model, assuming all neutrinos are Majorana particles.

研究の動機と目的

• 複数の同位体および実験からの無ニュートリノ二重ベータ崩壊データを統合する統一的フレームワークを構築し、効果的ニュートリノ質量 $m_{\beta\beta}$ への感度を向上させること。
• 統合限界とハイデルベルク・モスクワ実験による陽性信号の主張との統計的整合性を評価すること。
• 統合 $m_{\beta\beta}$ 限界を用いて、(3+1)ニュートリノモデルにおける軽いステアリングメジャノネニュートリノの存在を制約すること。
• 核行列要素（NME）モデルの不確実性およびメジャノネ位相が得られる限界に与える影響を定量化すること。

提案手法

• CL$_s$手法を用いて $m_{\beta\beta}$ の上限を設定し、ポアソン対数尤度比検定統計量を用い、ガウス的事前分布によるシステムティック不確実性のマージナライゼーションを行う。
• 複数の実験からのエネルギー分布を、実験間の相関がないものと仮定して、個々の対数尤度比の和を用いて統合する。
• 半減期の限界は、相空間因子 $G^{0\nu}$ と核行列要素 $M^{0\nu}$ を通じて $m_{\beta\beta}$ と関連づけられ、$m_{\beta\beta} \propto |\sum m_i |U_{ei}|^2 e^{i\phi_i}|$ となる。
• 異なるNMEモデル—(R)QRPA、GCM、その他—を用いて $m_{\beta\beta}$ 限界の範囲を計算し、理論的不確実性を反映する。
• 統合 $m_{\beta\beta}$ 限界を、(3+1)ステアリングニュートリノモデルへの制約に変換するため、$m_{\beta\beta}$ を $m_4$ と $|U_{e4}|^2$ にマッピングし、メジャノネ位相と最も軽いニュートリノ質量の仮定を変えて行う。
• 振動パラメータの不確実性を考慮し、Gonzalez-Garciaら（2014）のグローバルフィット値を $\Delta m^2_{ij}$ と $U_{ei}$ に用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の $0\nu\beta\beta$ 実験および同位体のエネルギー分布を用いて統合した場合、効果的ニュートリノ質量 $m_{\beta\beta}$ の限界はどのようになるか？
• RQ2 統合 $m_{\beta\beta}$ 限界はハイデルベルク・モスクワ実験の陽性信号主張とどの程度整合性があるか。また、これはNMEモデルの選択に依存するか？
• RQ3 統合 $m_{\beta\beta}$ 限界は、(3+1)ステアリングニュートリノモデルのパラメータ、特に $m_4$ と $|U_{e4}|^2$ をどの程度制約できるか？
• RQ4 核行列要素の不確実性およびメジャノネ位相の不確実性が、得られる $m_{\beta\beta}$ 限界および(3+1)モデルにおける解釈にどのように影響するか？

主な発見

• 核行列要素（NME）モデルの選択に応じて、効果的ニュートリノ質量 $m_{\beta\beta}$ の統合限界は130〜310 meVの範囲にのぼり、そのばらつきは理論的不確実性を反映している。
• CL$_s$に基づく統合により、単一で最も感度の高い実験を用いる場合と比較して、感度が約1.5〜2.4倍向上する。
• ハイデルベルク・モスクワ実験の主張との整合性のp値は、GCM NMEモデルでは0.001、(R)QRPAモデルでは0.31の範囲にあり、一部のモデルでは強い矛盾を示す。
• NMEの不確実性と完全な相関行列を組み込むことで、不確実性なしのアプローチと比較して $m_{\beta\beta}$ 限界が40–50 meV変化する。
• (3+1)ステアリングニュートリノモデルにおいて、GCM NMEモデルとゼロのメジャノネ位相を仮定した場合、$m_0 = 150$ meVのとき、$m_4$–$|U_{e4}|^2$ パラメータ空間の全領域が除外される。
• $0\nu\beta\beta$ 限界がグローバル(3+1)フィットの最適適合点に最も近づくのは、最も制約の厳しい状況—GCMモデル、$m_0 > 100$ meV、および有利なメジャノネ位相—のときである。