[論文レビュー] Heavy Sterile Neutrinos and Neutrinoless Double Beta Decay

Manimala Mitra, Goran Senjanović+1 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、最小的タイプI seesawモデルにおける重い不活性ニュートリノが、0νββ崩壊における役割を調査する。一般的な予想とは対照的に、軽いマヨラナニュートリノが支配的であるとされるが、著者らは核行列要素を正確に取り入れた場合、質量が約16 TeVまでの不活性ニュートリノが、現在の0νββ半減期の実験的制限を満たす可能性があることを示している。しかしながら、放射修飾安定性の制約により、微調整を避けるために不活性ニュートリノ質量は10 GeV未満に制限され、低質量領域でのみ実現可能となる。

ABSTRACT

Sterile neutrinos of mass up to a few tens of TeV can saturate the present experimental bound of neutrinoless double beta decay process. Due to the updated nuclear matrix elements, the bound on mass and mixing angle is now improved by one order of magnitude. We have performed a detailed analysis of neutrinoless double beta decay for the minimal Type I seesaw scenario. We have shown that in spite of the naive expectation that the light neutrinos give the dominant contribution, sterile neutrinos can saturate the present experimental bound of neutrinoless double beta decay process. However, in order to be consistent with radiative stability of light neutrino masses, the mass scale of sterile neutrinos should be less than 10 GeV.

研究の動機と目的

• 最小的タイプI seesawモデルにおいて、軽いマヨラナニュートリノが支配的であるという一般的な仮定とは対照的に、重い不活性ニュートリノがニュートリノなし二重ベータ崩壊の振幅を支配しうるかどうかを調査すること。
• 核行列要素の更新に伴い、感度が1桁向上したことに鑛えて、活性-不活性混合角および不活性ニュートリノ質量の制限を再評価すること。
• 微調整が過度に生じないよう、軽いニュートリノ質量の放射修飾安定性に整合する不活性ニュートリノの最大質量スケールを特定すること。
• 軽いニュートリノ質量の和に関する宇宙論的制約およびハイデルベルク・モスクワ実験からの実験的兆候を踏まえ、不活性ニュートリノ寄与の妥当性を評価すること。

提案手法

• 著者らは、1つの重い不活性ニュートリノを有する最小的タイプI seesawモデルを用い、ディラック質量 $ m $ とマヨラナ質量 $ M $ でパラメータ化することで、0νββ崩壊振幅を計算する。
• 有効ラグランジアンと核行列要素を用いて半減期の式を導出し、崩壊率を $ 1/T_{1/2} = K_{0 u} \big| \theta_{ei}^2 \frac{\nu_i}{\braket{p^2} - \nu_i^2} \big|^2 $ として表現する。ここで $ \nu_i $ は媒介状態の質量を表す。
• 不活性ニュートリノの有効質量行列要素は $ (M_D^T M_R^{-3} M_D)_{ee} $ として計算され、$ \frac{m^2}{M^3} $ のスケーリングを示し、大きな $ M $ であっても顕著な寄与が得られることを示している。
• 軽いニュートリノ質量に対する1ループレベルでの放射修正を計算する：$ \rho M_\nu \ni \frac{g^2}{(4\bar{\rho})^2} \frac{m^2}{M} \text{ または } \frac{m^2}{M} \frac{M^2}{M_{ew}^2} $ であり、$ M $ が電弱スケールより上にあるか下にあるかに応じて異なる。
• 微調整が $ \frac{m^2}{M} < 0.1 \, \text{eV} $ となるように、不活性ニュートリノ質量の制限を導出する。この条件を満たすと同時に、0νββ半減期の制限を満たす。
• 宇宙論的制約（$ \text{sum} \, m_i < 0.26 \, \text{eV} $ at 95% C.L.）、実験的半減期の制限（$ T_{1/2} > 1.9 \times 10^{25} \, \text{yrs} $）、および Klapdor の主張（$ |m_{ee}| = 0.23 \pm 0.02 \, \text{eV} $）を統合して解析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量が数十TeVに達する重い不活性ニュートリノが、軽いマヨラナニュートリノの支配的期待とは対照的に、タイプI seesawモデルにおけるニュートリノなし二重ベータ崩壊の振幅を支配しうるか？
• RQ2 更新された核行列要素は、0νββ崩壊における活性-不活性混合角および不活性ニュートリノ質量の制限にどのように影響するか？
• RQ3 軽いニュートリノ質量の放射修飾安定性に整合する不活性ニュートリノの最大許容質量スケールは何か？
• RQ4 不活性ニュートリノ寄与が、宇宙論的制約（軽いニュートリノ質量の和）と実験的制限の両方に適合しつつ、現在の0νββ半減期の実験的制限を満たすことは可能か？
• RQ5 不活性ニュートリノが0νββ崩壊を支配する場合、seesaw機構における微調整はどの程度必要となり、それが不活性ニュートリノ質量にどのように制限を加えるか？

主な発見

• 質量が約16 TeVまでの不活性ニュートリノが、$ m^2/M^3 $ 項が十分に大きい場合、現在の0νββ半減期の実験的制限（$ T_{1/2} > 1.9 \times 10^{25} \, \text{yrs} $）を満たす可能性がある。
• 更新された核行列要素のおかげで、活性-不活性混合角 $ |V_{ei}|^2 $ の制限が1桁向上し、不活性ニュートリノ寄与に対する感度が向上している。
• 顕著な寄与が可能であるものの、放射修飾安定性の観点から、微調整の程度が $ \epsilon \sim 10^{-9} $ に達しないようにするため、不活性ニュートリノ質量は10 GeV未満に制限される。
• 不活性ニュートリノ寄与は、軽いニュートリノ質量が小さいために抑制されない。これは $ m^2/M^3 $ のスケーリングに起因し、$ m $ が小さくても顕著な寄与が得られる。
• Klapdorの主張（$ |m_{ee}| = 0.23 \, \text{eV} $）は、宇宙論的制約 $ \sum m_i < 0.26 \, \text{eV} $ と矛盾するが、不活性ニュートリノのような新しい物理が寄与する場合を除いては成立しない。
• 不活性ニュートリノが0νββ崩壊を支配しつつ、実験的および宇宙論的制約を満たすためには、質量スケールが $ M < 10 \, \text{GeV} $ でなければならない。また、$ M^{-3} $ の抑制を補うために、$ |V_{ei}|^2 $ が十分に大きくなければならない。