[論文レビュー] Nuclear $β$ decay as a probe for physics beyond the Standard Model

M. Brodeur, N. Buzinsky+44 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2023

Neutrino Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、正確な崩壊測定を活用して、標準模型を越える物理学（BSM）を調べるための、強化された実験的・理論的核β崩壊研究を提唱している。特に、希少核種におけるβ崩壊および電子捕獲崩壊の高精度測定を通じて、1MeV未塔のステアリングニュートリノや新しい物理学を探索する。本稿は、先進的な多体理論およびBeESTやHUNTERといった次世代実験が、ステアリングニュートリノに対する最も厳しい実験的制約を可能にしたと強調しており、BeESTはすでに100–850 keVの範囲で最高の制約を設定している。

ABSTRACT

This white paper was submitted to the 2022 Fundamental Symmetries, Neutrons, and Neutrinos (FSNN) Town Hall Meeting in preparation for the next NSAC Long Range Plan. We advocate to support current and future theoretical and experimental searches for physics beyond the Standard Model using nuclear $β$ decay.

研究の動機と目的

• 標準模型を越える物理学（BSM）の感受性を持つ核β崩壊の研究を進める、特に1MeV未塔のステアリングニュートリノを対象とする。
• 禁止崩壊における電磁的放射修正および原子核行列要素の理論的計算の改善を求める。
• 低Qβ崩壊および電子捕獲崩壊を高精度で測定する実験プログラムを支援し、軽いニュートリノ質量および重いニュートリノ質量の検出を可能にする。
• β形状関数の測定とバックグラウンドモデルの改善を通じて、原子炉反ニュートリノ異常を解明する。
• 中性子過剰核におけるニュートリノの生成を示す、新しい物理の兆候となる希少崩壊モード（例：ダーク崩壊分岐）を探索する。

提案手法

• 電子捕獲およびβ崩壊における核の反動および崩壊生成物の高精度測定を用いて、欠落しているニュートリノの4元運動量および質量を再構築する。
• 制御された不確実性を伴う、先進的な多体原子核理論手法を用いて、禁止崩壊におけるスペクトル形状および行列要素を計算する。
• 3体β崩壊が禁止される中性子不足核種（例：7Be や 131Cs）に注目し、ニュートリノ質量の再構築を簡素化する。
• BeEST や HUNTER などの実験で、崩壊生成物の高分解能の運動量およびエネルギー測定を実施し、ニュートリノ質量および混合角を精密に探査する。
• 実験データと理論モデルを統合して、eV–MeV範囲におけるステアリングニュートリノ混合を制約する。
• 希少崩壊分岐比（例：11Beにおける10Beへのβ崩壊、6Heにおける5Heへの中性子崩壊）を用いて、ダーク崩壊の兆候を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高精度な核β崩壊および電子捕獲崩壊測定は、感度を向上させることで1MeV未塔のステアリングニュートリノを検出可能か？
• RQ2 多体原子核理論は、BSM探索における電磁的放射修正および原子核行列要素の不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ3 11Be や 6He におけるダーク崩壊分岐のような希少崩壊モードが、標準模型を越える新しい物理学の証拠を提供できるか？
• RQ4 核分裂生成物における精密なβ形状関数測定は、原子炉反ニュートリノ発生率の予測および原子炉異常の解明にどのように寄与するか？
• RQ5 低Q崩壊実験は、100–850 keV範囲における軽いニュートリノ質量およびステアリングニュートリノ混合にどのような制約を課すか？

主な発見

• BeEST 実験は、現在、100–850 keVの質量範囲におけるステアリングニュートリノに対する最も厳しい実験的制約を設定している。
• HUNTERおよびBeESTの予想される感度は、1MeV未塔のステアリングニュートリノに対する制約を大幅に強化し、過去の実験的限界を上回る。
• 中性子不足核種（例：7Be や 131Cs）は、3体β崩壊の抑制により、ニュートリノ質量の明確な測定が可能であり、欠落エネルギー再構築が簡素化される。
• 多体理論の進展により、BSM感受性に不可欠なスペクトル形状計算における制御された不確実性が実現可能となった。
• 11Bにおける近閾値共鳴を介した11Beの(β,p)崩壊測定により、希少崩壊モードが確認されたが、10Be生成量に関する矛盾するデータのため、ダーク崩壊分岐の存在は依然として明確でない。
• 6Heにおけるダーク中性子崩壊の上限が非常に低く見積もられ、未結合状態の5He状態への主要分岐は存在しない可能性が示唆された。