[論文レビュー] Neutrinoless double beta decay: searching for new physics with comparison of different nuclei

Ahmed Ali, A. V. Borisov+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、76Ge、82Se、100Mo、130Te、136Xeの複数の同位体において、ニュートリノless二重ベータ崩壊（0ν2β）を一般のローレンツ不変な有効ラグランジアンを用いて調査し、新物理メカニズムを解明する。半減期と電子の空間相関を複数の核種で比較することで、核行列要素の理論的不確実性を低減でき、主要な崩壊メカニズムを特定可能であることが示され、100Moと82Seは特定の新物理寄与に対して最も感受性が高い。

ABSTRACT

The neutrinoless double beta decay is analyzed using a general Lorentz invariant effective Lagrangian for various decaying nuclei of current experimental interest: $^{76}$Ge, $^{82}$Se, $^{100}$Mo, $^{130}$Te, and $^{136}$Xe. We work out the half-lives and angular correlation coefficients of the outgoing electrons in several scenarios for new physics: the left-right symmetric models, the R-parity-violating SUSY and models with leptoquarks. The theoretical uncertainty in the nuclear matrix elements is discussed.

研究の動機と目的

• 複数の同位体間での比較により、0ν2β崩壊における核行列要素の理論的不確実性を低減すること。
• leptoquark、R-数不保存SUSY、左右対称モデルなどの、0ν2β崩壊を引き起こす支配的となる新物理メカニズムを同定すること。
• 半減期と相関を用いて、異なる核種が特定の標準模型外寄与に対してどれほど感受性を持つのかを評価すること。
• 将来の実験が電子の空間相関を測定し、競合するメカニズムを区別できる可能性を評価すること。
• 多核種比較を用いて、0ν2β崩壊データからニュートリノ質量と混合に関する情報を抽出するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• 0ν2β崩壊を記述する一般のローレンツ不変な有効ラグランジアンを用い、マヨラナニュートリノ、レプトケイロン、R-数不保存SUSY、右巻きWボソンの寄与を含む。
• 微分崩壊断面積の式 dΓ/dcosθ = (ln 2/2)|M_GT|²𝒜(1−Kcosθ) を適用し、Kは新物理パラメータに依存する空間相関係数である。
• 76Ge（最もよく研究された同位体）を基準として、半減期比（ℛ）と空間相関係数比（𝒦）を計算し、モデルに依存しないシグネチャを抽出する。
• 2つのシナリオを検討する：(A) 有効マヨラナ質量 |⟨m⟩| が非ゼロで、SM＋マヨラナニュートリノ交換の寄与、(B) |⟨m⟩| がゼロで、新物理係数εが非ゼロ。
• QRPAを用い、p-n対の有無を考慮した数値解析により、結果のモデル依存性を評価する。
• V−A、V+A、T_L,R のカレント構造に注目し、特定の新物理オペレータからの寄与を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる新物理メカニズムを想定した場合、0ν2β崩壊の半減期はどの程度異なる同位体で変化するか？
• RQ2 空間相関係数は、0ν2β崩壊における競合する新物理モデルをどれだけ明確に区別できるか？
• RQ3 どの同位体ペアが、R-数不保存SUSYやレプトケイロンなどの特定の新物理寄与に対して最も感受性が高いか？
• RQ4 核行列要素の理論的不確実性は、異なる核種における0ν2β崩壊データの解釈にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 多核種比較により、0ν2β崩壊の背後にあるメカニズムの同定における曖昧さを低減できるか？

主な発見

• 100Moの比 𝒦_{V±A}^{V−A} は1.08であり、V−Aカレント寄与に対して高い感受性を示す。一方、82Seは 𝒦_{V+A}^{V−A} = 1.11 であり、V+A項に対して感受性が高い。
• 半減期に関しては、100Moは ε_{V−A}^{V+A} に対して最も感受性が高く、ℛ_{V−A}^{V+A} = 52.87（p-n対なしQRPA）である。一方、82Seは ε_{V+A}^{V+A} に対して最も感受性が高く、ℛ_{V+A}^{V+A} = 0.24 である。
• 130Teの比 ℛ_{V−A}^{V−A} は0.24（p-n対なし）であり、76Geに比べて著しく半減期が抑制されていることから、強いモデル依存性が示唆される。
• 空間相関比は核行列要素にほとんど依存せず、特に 𝒦_{V−A}^{V+A} は新物理のプローブとして頑健である。
• 76Ge–100Moのペアは、空間相関を用いて ε_{V±A}^{V+A} に対して最も感受性が高く、100Moの 𝒦_{V±A}^{V−A} = 1.08 である。
• 100Mo–130Teのペアは、半減期を用いて ε_{V−A}^{V+A} に対して最も感受性が高く、130Teでは ℛ_{V−A}^{V+A} = 1.11、100Moでは52.87 であり、強い識別能力を示す。