[論文レビュー] Neutrinoless double beta decay: Electron angular correlation as a probe of new physics

Ahmed Ali, Borisov, A. V.+1 more|ArXiv.org|Jun 7, 2006

Neutrino Physics Research被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ニュートリノless二重ベータ崩壊（0ν2β）における電子の方位角相関が、新しい物理のモデルを区別できる可能性を提案している。特に、軽いメジャノナニュートリノを伴う長距離メカニズムと、左右対称モデルにおける右巻きウィルソンボソンのメカニズムを区別する。一般のローレンツ不変な有効ラグランジアンから導かれた方位角分布により、角係数Kが右巻きウィルソンボソンの質量と有効メジャノナニュートリノ質量に依存することを示し、半減期測定と組み合わせることでモデルの区別が可能になる。

ABSTRACT

The angular distribution of the final electrons in the so-called long range mechanism of the neutrinoless double beta decay ($0 u2β$) is derived for the general Lorentz invariant effective Lagrangian. Possible theories beyond the SM are classified from their effects on the angular distribution, which could be used to discriminate among various particle physics models inducing $0 u2β$ decays. However, additional input on the effective couplings will be required to single out the light Majorana-neutrino mechanism. Alternatively, measurements of the effective neutrino mass and angular distribution in $0 u2β$ decays can be used to test the correlations among the parameters of the underlying physics models. This is illustrated for the left-right symmetric model, taking into account current phenomenological bounds.

研究の動機と目的

• 0ν2β崩壊における電子の方位角相関が、標準模型を超える競合する新しい物理のモデルを区別できるかどうかを明らかにすること。
• ローレンツ不変な有効ラグランジアンを用いて、長距離メカニズムの一般な方位角分布を導出すること。
• 左右対称モデルにおける角係数K、右巻きウィルソンボソンの質量m_WR、有効メジャノナニュートリノ質量|⟨m⟩|の相関を検討すること。
• 現在の物性的制約のもとで、方位角相関がモデルパラメータにどれほど敏感であるかを評価すること。
• 方位角相関測定が半減期データと組み合わせることで、0ν2β崩壊における競合するメカニズムを解明する手助けになることを示すこと。

提案手法

• すべての可能なテンソル構造（V±A、S±P、T_L,R）を含む一般のローレンツ不変な有効ラグランジアンを用いて、長距離0ν2β崩壊メカニズムの微分崩壊断面積dΓ/dcosθを導出する。
• 方位角分布をdΓ/dcosθ ∝ 1 - Kcosθの形に表現し、Kは核およびレプトンの現在行列要素に依存する角係数である。
• ⁷⁶Geの核行列要素（|M_GT| = 1.846、χ_F = 0.274、χ_{2-} = 0.551）を計算するために、p-n対縮退を含むQRPAモデルに依存する。
• 文献から得た空間的要因G_01 = 7.928×10⁻¹⁵ yr⁻¹およびG_02 = 12.96×10⁻¹⁵ yr⁻¹を用いて、崩壊断面積を計算する。
• K = (y - 1)/(y + 1)という重要な関係を導出し、yは(|⟨m⟩|/m_e)² × (m_WR/m_WL)⁴ × (G_01/G_02)に比例し、Kが|⟨m⟩|およびm_WRに依存することを示す。
• ε = 10⁻⁶および5×10⁻⁷の仮定のもとで、m_WR ≥ 1 TeVの条件下で、K、m_WR、|⟨m⟩|の相関を示す数値的プロット（図1〜4）を構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0ν2β崩壊における角係数Kは、左右対称モデルにおける右巻きウィルソンボソンメカニズムと、軽いメジャノナニュートリノメカニズムを区別できるか？
• RQ2 角係数Kは、有効メジャノナニュートリノ質量|⟨m⟩|および右巻きウィルソンボソン質量m_WRにどのように依存するか？
• RQ3 |⟨m⟩|およびm_WRの変動に対する電子の方位角分布の感度はどの程度か、特に1eV未塔およびmeV領域において。
• RQ4 角係数Kと半減期測定を組み合わせることで、0ν2β崩壊における支配的メカニズムを制約または同定できるか？
• RQ5 現在の物性的制約のもとで、m_WRおよび|⟨m⟩|が角係数Kの許容範囲に与える影響は何か？

主な発見

• 0ν2β崩壊の分布dΓ/dcosθ ∝ 1 - Kcosθにおける角係数Kは、有効メジャノナニュートリノ質量|⟨m⟩|と右巻きウィルソンボソン質量m_WRの相乗的相互作用に敏感である。
• |⟨m⟩| ≤ 10 meVの場合、角係数Kは左右対称モデルと標準模型に加えて軽いメジャノナニュートリノを含むメカニズムを区別できる。
• 数値的結果から、Kはm_WRおよび|⟨m⟩|に応じて-1から+1の範囲で変動し、m_WR ≈ 1 TeVおよび|⟨m⟩| ≈ 1 meVの条件下でK ≈ -1を達成可能である。
• 図5（右）に示すように、|⟨m⟩|が小さいほどKのm_WRへの感度が著しく向上し、|⟨m⟩| = 1 meVのときm_WRに強く依存するのに対し、5 meVのときにはそれほど強くない。
• K = 1 - 2G_02(|M_GT|χ_{2-}ε)²(m_WL/m_WR)⁴T_{1/2}という関係により、測定可能な半減期T_{1/2}と角係数Kがm_WRおよびεに依存し、モデルの区別が可能になる。
• ε = 10⁻⁶およびm_WR ≥ 1 TeVの条件下で、|⟨m⟩| ≈ 1 meVのときKは-0.9まで低下し、軽いメジャノナニュートリノの場合のK = 1とは著しく異なる強い方位角相関を示す。