[論文レビュー] Neutrinoless Double $β$-Decay

S. M. Bilenky|ArXiv.org|Mar 23, 2004

Neutrino Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ニュートリノがメジャナウ粒子であるかどうかを特定するための最も感受性の高いプローブとして、ニュートリノ質量ゼロの二重ベータ崩壊（0νββ-崩壊）をレビューする。現在の実験的限界における有効メジャナウ質量の分析、ニュートリノ振動データに基づくその値の予測、および複数の核種を用いた核行列要素計算のモデルに依存しない検証手法の提案を行う。

ABSTRACT

The neutrinoless double $β$-decay is reviewed. Model independent evidence in favor of neutrino masses and mixing is briefly summarized. The data of the recent experiments on the search for $0νββ$-decay are presented and some future experiments are discussed. The possible values of the effective Majorana mass, which can be predicted on the basis of the neutrino oscillation data under different assumptions on the pattern of the neutrino mass spectrum, are considered. A possible model independent test of the nuclear matrix element calculations is discussed.

研究の動機と目的

• ニュートリノ質量ゼロの二重ベータ崩壊が、ニュートリノのメジャナウ性を調べるプローブとしての現在の実験的・理論的状況をレビューすること。
• Super-Kamiokande、SNO、KamLAND実験から得られるモデルに依存しないニュートリノ質量と混合の証拠を要約すること。
• ニュートリノ振動データと異なる質量スケーリングパターンを仮定した場合に、有効メジャナウ質量|mee|の取り得る値の範囲を推定すること。
• 複数の同位体における0νββ-崩壊行列要素の因数分解性を用いて、核行列要素計算のモデルに依存しない検証手法を提案すること。
• 76Ge、130Te、136Xeなどの複数の同位体における0νββ-崩壊の観測が、核行列要素理論モデルの制約に重要な意味を持つことを強調すること。

提案手法

• 大気（Super-Kamiokande）、太陽（SNO）、原子炉（KamLAND）ニュートリノ実験のデータを用い、ニュートリノ振動と質量差のモデルに依存しない証拠を確立する。
• SK、SNO、KamLANDから得られる二ニュートリノ振動パラメータを応用し、ニュートリノ質量スケーリングの文脈で有効メジャナウ質量|mee|を制約する。
• 0νββ-崩壊行列要素の因数分解性を導出し、|mee|² × |M⁰ν(A,Z)|² が核モデルに依存しないことを示す。
• 複数の同位体を用いた検証手法を提案：もし異なる核種から得られる|mee|²値がモデル内で一貫しているならば、そのモデルは妥当である。不一致があれば、モデルは除外できる。
• QRPAやNSMなどの異なる理論的モデルにおける核行列要素を、比η^{NSM;QRPA}(A,Z)を用いて比較し、モデル依存性を評価する。
• 次世代の0νββ-崩壊実験（例：130Te、76Ge、136Xe、100Mo）の感度が|mee| ≃ a few ×10⁻² eVに達する予想であり、質量スケーリングの区別に寄与する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0νββ-崩壊探索における有効メジャナウ質量|mee|の現在の実験的限界は何か？
• RQ2 ニュートリノ振動データは、異なるニュートリノ質量スケーリングパターンに対して有効メジャナウ質量の取り得る値をどのように制約するか？
• RQ3 0νββ-崩壊行列要素の因数分解性を用いて、核行列要素計算の信頼性を検証できるか？
• RQ4 複数の同位体における0νββ-崩壊の観測は、核行列要素理論モデルの競合をどのように区別できるか？
• RQ5 次世代の0νββ-崩壊実験の期待される感度は何か？そして、ニュートリノ質量スケールの決定にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 現在の実験的限界では、有効メジャナウ質量は|mee| ≤ (0.3–1.2) eV であり、既存の0νββ-崩壊実験のnull結果に基づく。
• 今後の実験は|mee| ≃ a few ×10⁻² eVの感度に達することを目標としており、逆質量階層における最も軽いニュートリノ質量状態の検出が可能になる。
• 理論的予測における|mee|の値は、仮定されるニュートリノ質量スケーリングに大きく依存する：通常階層では|mee| ≈ 0.01–0.05 eV、逆階層では最大で~0.1 eVを許容する。
• 異なるQRPAモデルで計算された核行列要素（NMEs）は、3倍以上も異なることがあり、0νββ-崩壊データの解釈における主要な不確実性を示している。
• 76Ge、130Te、136Xeにおけるη^{NSM;QRPA}(A,Z)の比は、それぞれ3.1、2.1、2.5であり、複数の同位体が観測されればNMEモデルを区別できる可能性がある。
• 少なくとも3つの同位体における0νββ-崩壊の観測により、崩壊振幅の因数分解性を用いた、核行列要素計算のモデルに依存しない強力な検証が可能になる。