[논문 리뷰] Distinguishing the neutrinoless double beta decay mechanisms

F. Šimkovic, Amand Faessler|arXiv (Cornell University)|2001. 12. 20.

Neutrino Physics Research인용 수 38

한 줄 요약

이 논문은 경쟁적인 0νββ 메커니즘—예를 들어 경량/중량 메이저라 네트리노 교환과 R-대칭 위반 초대칭(SUSY)—을 구별하기 위해, 첫 번째(excited) 0⁺ 상태로의 붕괴와 기저 상태로의 붕괴에 대한 반감기 비율을 측정해야 한다고 제안한다. 이론적 핵행렬원소와 이러한 비율의 실험적 측정을 조합함으로써, 특히 ⁸²Se, ¹⁰⁰Mo, 및 ¹³⁶Xe 동위원소에서 행렬원소 비율(ξₘ)이 메커니즘 간에 상당히 다름을 감안할 때, 주요 0νββ 메커니즘을 식별할 수 있다.

ABSTRACT

Many new neutrinoless double beta decay (0nbb) experiments are planned or in preparation. If the 0nbb-decay will be detected, the key issue will be what is the dominant mechanism of this process. By measuring only transitions to the ground state one can not distinguish among many of the 0nbb-decay mechanisms (the light and heavy Majorana neutrino exchange mechanisms, the trilinear R-parity breaking mechanisms etc.). We show that if the ratio of the 0nbb-decay half-lifes for transitions to the 0^+ first excited and ground states is determined both theoretically and experimentally, it might be possible to determine, which 0nbb-decay mechanisms is dominant. For that purpose the corresponding nuclear matrix elements have to be evaluated with high reliability. The present work is giving strong motivations for experimental studies of the 0nbb-decay transitions to the first excited 0^+ states of the final nuclei.

연구 동기 및 목표

• 관측된 0νββ 붕괴의 주요 메커니즘을 특정하는 데 있어 중요한 과제인, 기저 상태 전이만 측정할 경우 모호성이 남는 문제를 해결하기 위해.
• 운동역학적으로 구별할 수 없는 0νββ 메커니즘 간의 구별을 위해, 첫 번째 0⁺ 상태(0⁺₁)로의 전이가 고유한 실험적 수단을 제공한다는 것을 보여주기 위해.
• 0⁺₁ 최종 상태에 대한 정밀한 이론적 핵행렬원소가 메커니즘 구별을 가능하게 하기 위해 필수적이라는 점을 강조하기 위해.
• 기저 상태 탐색보다 10~100배 더 높은 감도가 요구되는 0⁺₁ 최종 상태를 향한 실험적 노력의 동기를 부여하기 위해.

제안 방법

• 첫 번째 0⁺ 상태(0⁺₁)로의 0νββ 붕괴 반감기와 기저 상태(0⁺_g.s.)로의 반감기 비율을 ξ_full = ξ_kin × ξ_M로 계산한다.
• 운동역학적 요소(ξ_kin)는 단지 Q-값에 따라 결정되는 위상공간 적분에서 유도되며, 모든 메커니즘에서 동일하다.
• 0⁺₁ 및 0⁺_g.s.로의 전이에 대한 핵행렬원소(M)는 보존 확장 방법을 사용한 준입자 랜덤 단계 근사(QRPA)를 통해 평가된다.
• 메커니즘에 따라 달라지는 요소인 ξ_M = |M(0⁺_g.s.) / M(0⁺₁)|²는 경량 메이저라 네트리노, 중량 메이저라 네트리노, 삼중선형 R-대칭 위반 초대칭(SUSY) 메커니즘에 대해 계산된다.
• 분석은 ⁷⁶Ge, ⁸²Se, ¹⁰⁰Mo, 및 ¹³⁶Xe 네 가지 동위원소에 적용되었으며, 결과는 표 1에 요약되고 그림 2에 시각화되었다.
• 이 방법은 오직 한 메커니즘이 동시에 지배하는 것을 전제로 하며, ξ_full 비율을 통한 명확한 구별이 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 첫 번째 0⁺ 상태로의 0νββ 붕괴 반감기와 기저 상태로의 반감기 비율이 경량 및 중량 메이저라 네트리노 교환과 R-대칭 위반 초대칭(SUSY) 메커니즘을 구별하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ2 왜 기저 상태 전이만 측정하는 것은 주요 0νββ 붕괴 메커니즘을 특정하는 데 부족한가?
• RQ3 다양한 0νββ 메커니즘에서 0⁺₁ 상태로의 전이에 대한 핵행렬원소는 기저 상태로의 전이에 비해 어떻게 다른가?
• RQ4 ξ_full 비율을 기반으로 볼 때, 이러한 메커니즘을 가장 잘 구별할 수 있는 동위원소는 무엇인가?
• RQ5 0⁺₁ 상태로의 0νββ 붕괴를 관측하기 위해 어떤 실험적 개선이 필요한가?

주요 결과

• 운동역학적 요소 ξ_kin는 ¹³⁶Xe에서 가장 크며(21.1), ¹⁰⁰Mo에서 가장 작다(5.16). 이는 더 무거운 동위원소에서 0⁺₁ 상태로의 전이에 더 강한 위상공간 억제가 있음을 시사한다.
• 행렬원소 비율 ξ_M는 R-대칭 위반 초대칭(SUSY) 메커니즘에서 가장 크며, 특히 ¹⁰⁰Mo와 ¹³⁶Xe에서 네트리노 교환 메커니즘과의 차이가 가장 두드러진다.
• 전체 억제 비율 ξ_full는 ¹³⁶Xe에서 가장 크며(약 21.1 × ξ_M), 이 동위원소에서 0⁺₁ 전이가 기저 상태 전이에 비해 가장 강하게 억제됨을 나타낸다.
• ⁸²Se와 ⁷⁶Ge에서는 경량과 중량 메이저라 네트리노 메커니즘 간의 ξ_M 값이 상당히 다름을 보이며, 이는 메커니즘 구별에 가장 적합한 후보로 적합하다.
• 모든 동위원소에서 ξ_full는 ξ_M에 의해 지배되며, 이는 메커니즘 구별이 정확한 핵행렬원소 계산에 달려 있음을 확인한다.
• 이 연구는 NEMO-III, CUORE, 또는 MAJORANA와 같은 실험에서 기저 상태와 0⁺₁ 상태 전이를 동시에 관측할 경우 주요 0νββ 메커니즘을 해결할 수 있을 것으로 결론한다.