[論文レビュー] Neutrinoless Double-Beta Decay: A Roadmap for Matching Theory to Experiment

Vincenzo Cirigliano, Zohreh Davoudi+17 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2022

Neutrino Physics Research被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、ニュートリノ無し二重ベータ崩壊（0νββ）の実験的観測と高エネルギー物理学モデルを結びつける包括的な理論的ロードマップを提示する。特に有効場理論（EFTs）、格子QCD計算、およびab initio核構造手法を強調している。将来の0νββ実験を解釈し、素粒子のレプトン数破れメカニズムを特定するためのマルチスケールフレームワークを確立する。

ABSTRACT

The observation of neutrino oscillations and hence non-zero neutrino masses provided a milestone in the search for physics beyond the Standard Model. But even though we now know that neutrinos are massive, the nature of neutrino masses, i.e., whether they are Dirac or Majorana, remains an open question. A smoking-gun signature of Majorana neutrinos is the observation of neutrinoless double-beta decay, a process that violates the lepton-number conservation of the Standard Model. This white paper focuses on the theoretical aspects of the neutrinoless double-beta decay program and lays out a roadmap for future developments. The roadmap is a multi-scale path starting from high-energy models of neutrinoless double-beta decay all the way to the low-energy nuclear many-body problem that needs to be solved to supplement measurements of the decay rate. The path goes through a systematic effective-field-theory description of the underlying processes at various scales and needs to be supplemented by lattice quantum chromodynamics input. The white paper also discusses the interplay between neutrinoless double-beta decay, experiments at the Large Hadron Collider and results from astrophysics and cosmology in probing simplified models of lepton-number violation at the TeV scale, and the generation of the matter-antimatter asymmetry via leptogenesis. This white paper is prepared for the topical groups TF11 (Theory of Neutrino Physics), TF05 (Lattice Gauge Theory), RF04 (Baryon and Lepton Number Violating Processes), NF03 (Beyond the Standard Model) and NF05 (Neutrino Properties) within the Theory Frontier, Rare Processes and Precision Frontier, and Neutrino Physics Frontier of the U.S. Community Study on the Future of Particle Physics (Snowmass 2021).

研究の動機と目的

• 高エネルギー物理学におけるレプトン数破れのモデルを、0νββ崩壊における低エネルギー核行列要素（NMEs）に体系的に結びつける理論的フレームワークの構築。
• 複数のエネルギースケールにわたる有効場理論（EFTs）を用いて、素粒子物理学モデルと核多体計算のギャップを埋める。
• 将来の格子QCD計算が、0νββ崩壊に関連する2核子行列要素と低エネルギー定数（LECs）を正確に決定する方向へ導く。
• カップルドクラスタ（CC）やIMSrgといったab initio手法を用いて、核構造計算の精度と不確実性の評価を向上させる。
• LHC、宇宙論、および天体物理学からの制約を簡略化モデルに統合し、0νββ実験結果の解釈を可能にする。

提案手法

• マルチスケール有効場理論（EFT）アプローチを用いて、高エネルギー物理学モデルを0νββ崩壊における低エネルギー核観測量に体系的にマッチングする。
• 格子量子色力学（Lattice QCD）を用いて、0νββ過程に関連する2核子エネルギー準位、散乱断面積、遷移行列要素を計算する。
• 格子QCDの出力から物理的観測量への一般化されたマッピングを開発し、一貫性を保つために中間段階のEFT記述をしばしば必要とする。
• EFTに基づくハミルトニアンを用いたab initio多体手法—特にカップルドクラスタ（CC）と中間状態類似性摂動群（IMSRG）—を用いて核行列要素を計算する。
• EFTと非摂動的多体手法の不一致に起因する核行列要素の不確実性を評価する。
• 大型ハドロン衝突型加速器（LHC）、宇宙論、および天体物理学からの制約を統合し、TeVスケールにおけるレプトン数破れの簡略化モデルを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有効場理論は、どのようにしてエネルギースケールを跨いで、高エネルギーにおけるレプトン数破れモデルと低エネルギー核行列要素を0νββ崩壊に結びつけることができるか？
• RQ2 2核子系における格子QCD計算は、0νββ崩壊のための低エネルギー定数と遷移行列要素を制約するために果たす役割は何か？
• RQ3 カップルドクラスタ（CC）やIMSrgといったab initio核構造手法は、より正確で信頼性のある核行列要素を提供するために、どのようにして改善されるべきか？
• RQ4 LHC、宇宙論、および天体物理学からの制約は、0νββ崩壊における異なるレプトン数破れメカニズムを区別するために、どのような方法で役立つのか？
• RQ5 0νββ崩壊において予測力を持つために、格子QCDと核多体計算における主要な系統的不確実性は何か？

主な発見

• 格子QCDは、2核子系における0νββ崩壊のEFT記述における未知の低エネルギー定数（LECs）を制約できるようになり、より高い予測力が得られるようになる。
• 2核子エネルギー準位と散乱断面積の体系的格子QCD計算は、正確な0νββ行列要素の計算の前段階として不可欠である。
• EFTに基づく相互作用を用いたab initio手法、例えばカップルドクラスタやIMSrgは、すでに0νββ崩壊の核行列要素の第一世代を生成している。
• CCおよびIMSrg手法における精度の大幅な向上には、大規模なコード再設計と広範な計算リソースへのアクセスが必要となる。
• 核行列要素の不確実性を定量的に達成するためには、EFTと非摂動的多体手法の不一致を解消する必要がある。
• 0νββ崩壊における理論的進展は、素粒子物理学、格子QCD、核理論の連携が不可欠であり、将来のトンスケール実験を解釈するためのものである。