[論文レビュー] New physics potential of double beta decay and dark matter search

H. V. Klapdor‐Kleingrothaus, Heinrich Päs|ArXiv.org|Aug 18, 1998

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、ヘイデルベルク・モスクワ実験からの制約を焦点に、二重ベータ崩壊と直接的ダークマター検出が標準模型を越える物理学を探る可能性をレビューしている。有効マヨラナニュートリノ質量、左右対称モデル、レプトクォーク、超対称性、スピン非依存のWIMP-核子相互作用に対するきびしい制限を提示するとともに、感度を向上させるための今後のGENIUS提言を概説している。

ABSTRACT

The search for neutrinoless double beta decay and WIMP dark matter has a broad potential to test particle physics beyond the standard model. During the last years, the analysis of various contributions to the double beta decay rate by the Heidelberg group led, besides the most restrictive limit on the effective Majorana neutrino mass, to bounds on left-right-symmetric models, leptoquarks and supersymmetry. In a general framework bounds on arbitrary lepton number violating theories can be derived. Using double beta technology for direct dark matter detection, stringent limits on the spin-independent WIMP--nucleon interaction have been obtained. These results deduced from the Heidelberg-Moscow double beta decay experiment are reviewed. Also an outlook on the future of double beta decay and dark matter search, the GENIUS proposal, is given.

研究の動機と目的

• 二重ベータ崩壊と直接的ダークマター検出が、標準模型を越える物理学を探る可能性を評価すること。
• 二重ベータ崩壊データを用いて、レプトン数破れ理論に対するモデルに依存しない境界を導出すること。
• 二重ベータ崩壊技術を応用して、スピン非依存のWIMP-核子相互作用に対するきびしい制限を設定すること。
• ヘイデルベルク・モスクワ実験からの、有効マヨラナニュートリノ質量に対する最も厳しい実験的制約をレビューすること。
• GENIUS提言を、二重ベータ崩壊およびダークマター探索における感度を向上させる次世代の手法として提示すること。

提案手法

• マヨラントの放出やR-奇性破れ超対称性を含む、さまざまな標準模型を越えるメカニズムによる二重ベータ崩壊率への寄与の分析。
• ヘイデルベルク・モスクワ二重ベータ崩壊実験のデータを用いて、有効マヨラナニュートリノ質量およびその他のパラメータの制約を求める。
• 二重ベータ崩壊検出器技術を直接的ダークマター検出に応用し、類似した低バックグラウンド技術を活用する。
• 二重ベータ崩壊率の形式的枠組みを用いて、レプトン数破れ相互作用に対するモデルに依存しない境界を導出する。
• 左右対称モデルやレプトクォークモデルなどの理論的枠組みを用いて、実験的制約を解釈する。
• 低バックグラウンドで高純度のゲルマニウム検出器を用いて感度を著しく向上させることを目的とするGENIUS提言の概説。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重ベータ崩壊からの、有効マヨラナニュートリノ質量に対する最も厳しい実験的制限は何か？
• RQ2 二重ベータ崩壊データは、どのように左右対称モデル、レプトクォーク、R-奇性破れ超対称性を制約するか？
• RQ3 二重ベータ崩壊技術は、スピン非依存のWIMP-核子相互作用の直接検出にどの程度再利用可能か？
• RQ4 二重ベータ崩壊から導出された、レプトン数破れ理論に対するモデルに依存しない境界は何か？
• RQ5 GENIUS提言は、二重ベータ崩壊およびダークマター検出の感度をどのように向上させるか？

主な発見

• ヘイデルベルク・モスクワ実験は、当時において最も厳しい有効マヨラナニュートリノ質量の上界を確立した。
• 二重ベータ崩壊解析を通じて、左右対称モデル、レプトクォーク、R-奇性破れ超対称性に対する顕著な制約が得られた。
• 二重ベータ崩壊技術を用いて、スピン非依存のWIMP-核子散乱断面積に対するきびしい制限が設定された。
• 一般二重ベータ崩壊率形式的枠組みを用いて、レプトン数破れ相互作用に対するモデルに依存しない境界が導出された。
• GENIUS提言は、二重ベータ崩壊およびダークマター検出における感度を向上させる次世代実験として提示された。
• 本論文は、二重ベータ崩壊実験がニュートリノの性質とダークマターの両方を探る二重の利点を有することを示した。