[論文レビュー] New physics effects on neutrinoless double beta decay from right-handed current

Shao-Feng Ge, M. Lindner+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 44被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、タイプ-II・シー・スイッチ機構を伴う左対称モデル（LRSM）における右巻きカレントからのニュートリノ無し二重ベータ崩壊（0νββ）への新しい物理的寄与を調査する。右巻きカレント寄与が、宇宙論的に好まれる正のニュートリノ質量階層下でも、現在の0νββ崩壊の実験的上限に達する可能性があることを示し、核行列要素の不確実性を回避するため、同位体ペア比を用いて左巻きおよび右巻き寄与を分離する手法を提案する。

ABSTRACT

We study the impact of new physics contributions to neutrinoless double beta decay arising from right-handed current in comparison with the standard mechanism. If the light neutrinos obtain their masses from Type-II seesaw within left-right symmetric model, where the Type-I contribution is suppressed to negligible extent, the right-handed PMNS matrix is the same as its left-handed counterpart, making it highly predictable and can be tested at next-generation experiments. It is very attractive, especially with recent cosmological constraint favoring the normal hierarchy under which the neutrinoless double beta decay is too small to be observed unless new physics appears as indicated by the recent diboson excess observed at ATLAS. The relative contributions from left- and right-handed currents can be reconstructed with the ratio between lifetimes of two different isotopes as well as the ratio of nuclear matrix elements. In this way, the theoretical uncertainties in the calculation of nuclear matrix elements can be essentially avoided. We also discuss the interplay of neutrinoless double beta decay measurements with cosmology, beta decay, and neutrino oscillation.

研究の動機と目的

• 左対称モデル（LRSM）の文脈において、右巻きカレントがニュートリノ無し二重ベータ崩壊（0νββ）に与える影響を調査すること。
• 宇宙論的に好まれる正のニュートリノ質量階層下でも、右巻きカレントからの新しい物理的寄与が観測された0νββ崩壊率を説明できるかどうかを評価すること。
• 核行列要素の理論的不確実性を回避するために、同位体ペア比を用いて左巻きおよび右巻きカレント寄与を区別する手法を提案すること。
• 0νββ測定、宇宙論的制約、ベータ崩壊、ニュートリノ振動データの相乗的関係を調査すること。
• コライダーによる右巻きセクターの測定と組み合わせることで、マヨラナCP位相とニュートリノ質量階層が一意に特定可能であることを示すこと。

提案手法

• タイプ-II・シー・スイッチ機構を用いたLRSMにおいて、軽いニュートリノ質量がトリプレット・ヒッグス交換によって生じる仕組みを考慮し、右巻きカレントが0νββ崩壊に与える寄与を分析する。
• 同じ混合角およびCP位相を用いて、標準的（左巻き）および新しい物理的（右巻き）寄与の両方の有効マヨラナ質量パラメータを導出する。
• 2種類の異なる同位体（例：⁷⁶Ge と ¹³⁶Xe）の半減期および核行列要素の比を用いて、核行列要素の理論的不確実性を相殺する。
• 2つのマヨラナCP位相を変化させることで、有効マヨラナ質量パラメータの最大値および最小値を幾何学的アプローチで特定する。
• 軽いマヨラナニュートリノ寄与と右巻きカレントによって誘発される新しい物理的寄与を統合し、合計有効質量の統一的表現を得る。
• 将来の複数同位体における0νββ測定と、W′および右巻きニュートリノパラメータに関するコライダー測定を組み合わせることで、マヨラナCP位相および質量階層が一意に特定可能であると提唱する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙論的に好まれる正のニュートリノ質量階層下でも、LRSMにおける右巻きカレント寄与が観測された0νββ崩壊率を説明できるか？
• RQ2 核行列要素の不確実性が存在する中で、左巻きおよび右巻きカレント寄与の相対的寄与をどのように実験的に区別できるか？
• RQ3 軽いニュートリノと右巻きカレントによる寄与の統合的寄与が0νββ崩壊に与える影響において、マヨラナCP位相が果たす役割は何か？
• RQ4 0νββ、宇宙論、およびコライダー物理学（例：LHCにおけるW′）の相乗的関係が、ニュートリノ質量階層およびCP位相を一意に特定可能にするか？
• RQ5 異なる同位体における半減期比が、0νββ崩壊における標準的メカニズムを超える新しい物理的寄与を洗練されたプローブとしてどれほど有効に使えるか？

主な発見

• タイプ-II・シー・スイッチ機構を伴うLRSMにおける右巻きカレント寄与は、正の質量階層下でも、現在の0νββ崩壊半減期の実験的上限に達する可能性があり、次世代実験でテスト可能である。
• 2種類の異なる同位体（例：⁷⁶Ge と ¹³⁶Xe）における0νββ崩壊半減期の比を用いることで、左巻きおよび右巻きカレント寄与の相対的寄与を再構築でき、核行列要素の不確実性が効果的に相殺される。
• 右巻きカレント寄与の有効マヨラナ質量パラメータは、標準的メカニズムと同じ混合角およびCP位相に比例するため、最大値および最小値を統一的な幾何的取り扱いが可能となる。
• 将来の右巻きセクター（例：W′質量および混合）のコライダー測定と組み合わせることで、2つのマヨラナCP位相は退化を除き一意に特定可能である。
• 両方の測定（0νββおよびLRSMパラメータ）が可能であれば、|m^N_ee / m^ν_ee|の比を用いて軽いニュートリノ質量階層を区別できるとモデルが予測する。
• ATLASの二ボソン過剰に示唆される2 TeVのW′ボゾンが、現在の0νββ境界と整合する大きな右巻きカレント寄与を実現するための妥当なフレームワークを提供する。