[論文レビュー] Distinguishing the neutrinoless double beta decay mechanisms

F. Šimkovic, Amand Faessler|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2001

Neutrino Physics Research被引用数 38

ひとこと要約

本論文では、軽い・重いメジャナ型ニュートリノ交換とR対称性破れのSUSYメカニズムといった、互いに競合する0νββ衰えのメカニズムを区別するには、最初の励起状態0⁺への遷移と基底状態への遷移の半減期比を測定する必要があると提唱している。理論的核行列要素とこれらの比の実験的測定を組み合わせることで、特に⁸²Se、¹⁰⁰Mo、および¹³⁶Xe同位体において、メカニズムごとに顕著に異なる核行列要素比（ξₘ）を介して、支配的0νββメカニズムを特定できる。

ABSTRACT

Many new neutrinoless double beta decay (0nbb) experiments are planned or in preparation. If the 0nbb-decay will be detected, the key issue will be what is the dominant mechanism of this process. By measuring only transitions to the ground state one can not distinguish among many of the 0nbb-decay mechanisms (the light and heavy Majorana neutrino exchange mechanisms, the trilinear R-parity breaking mechanisms etc.). We show that if the ratio of the 0nbb-decay half-lifes for transitions to the 0^+ first excited and ground states is determined both theoretically and experimentally, it might be possible to determine, which 0nbb-decay mechanisms is dominant. For that purpose the corresponding nuclear matrix elements have to be evaluated with high reliability. The present work is giving strong motivations for experimental studies of the 0nbb-decay transitions to the first excited 0^+ states of the final nuclei.

研究の動機と目的

• 観測された0νββ崩壊の背後にある支配的メカニズムを特定するという、極めて重要な挑戦に応えること。これは、基底状態遷移のみが測定される場合、依然として曖昧なままである。
• 最初の励起状態0⁺₁への遷移が、運動的に区別できない0νββメカニズムの間で、唯一の実験的アプローチを提供することを示すこと。
• 支配的メカニズムの同定を可能にするために、0⁺₁最終状態の正確な理論的核行列要素の必要性を強調すること。
• 基底状態探索よりも10〜100倍高い感度を要する0⁺₁最終状態を標的にする実験的取り組みを促すこと。

提案手法

• 最初の励起状態0⁺₁への0νββ崩壊半減期と基底状態0⁺_g.s.への半減期の比を、ξ_full = ξ_kin × ξ_M として計算する。
• 運動的要因（ξ_kin）は、フェーズスペース積分から導出され、すべてのメカニズムで同一であり、Q値にのみ依存する。
• 0⁺₁および0⁺_g.s.への遷移の核行列要素（M）は、ボソン展開法を用いた準粒子のランダム位相近似（QRPA）によって評価される。
• メカニズムに依存する要因ξ_M = |M(0⁺_g.s.) / M(0⁺₁)|² は、軽いメジャナ型ニュートリノ、重いメジャナ型ニュートリノ、および三重線形R対称性破れのSUSYメカニズムについて計算される。
• この分析は、⁷⁶Ge、⁸²Se、¹⁰⁰Mo、および¹³⁶Xeの4つの同位体に適用され、結果は表1にまとめられ、図2に可視化されている。
• この手法は、一度に一つのメカニズムしか支配的でないという仮定に依存しており、ξ_full比を用いた明確な区別が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最初の励起状態0⁺への0νββ崩壊半減期と基底状態への半減期の比は、軽い・重いメジャナ型ニュートリノ交換とR対称性破れのSUSYメカニズムを区別できるか？
• RQ2 なぜ基底状態遷移の測定のみでは、支配的0νββ崩壊メカニズムを同定できないのか？
• RQ3 さまざまな0νββメカニズムにおいて、0⁺₁状態への遷移の核行列要素は、基底状態への遷移のそれとどのように異なるか？
• RQ4 ξ_full比に基づいて、これらのメカニズムを区別するのに最も感受性が高い同位体はどれか？
• RQ5 0⁺₁状態への0νββ崩壊を観測するには、どのような実験的改善が必要か？

主な発見

• 運動的要因ξ_kinは、¹³⁶Xeで最大（21.1）であり、¹⁰⁰Moで最小（5.16）である。これは、重い同位体において0⁺₁状態への遷移がフェーズスペースの抑制を強く受けることを示している。
• 核行列要素比ξ_Mは、特に¹⁰⁰Moおよび¹³⁶Xeにおいて、R対称性破れのSUSYメカニズムで最大となり、ニュートリノ交換メカニズムとは顕著に異なる。
• 全抑制比ξ_fullは、¹³⁶Xeで最大（約21.1 × ξ_M）であり、この同位体では0⁺₁遷移が基底状態遷移に対して最も強く抑制されていることを示している。
• ⁸²Seおよび⁷⁶Geでは、軽いと重いメジャナ型ニュートリノメカニズムの間でξ_M値に顕著な差が認められ、これらはメカニズムの区別に最適な候補である。
• すべての同位体において、ξ_fullはξ_Mに支配されていることから、メカニズムの区別は正確な核行列要素計算にかかっていることが確認された。
• 本研究は、NEMO-III、CUORE、またはMAJORANAのような実験で、基底状態と0⁺₁状態への両方の遷移を観測することで、支配的0νββメカニズムを解明できると結論づけている。