[논문 리뷰] Neutrinoless Double-Beta Decay: A Roadmap for Matching Theory to Experiment

Vincenzo Cirigliano, Zohreh Davoudi외 17명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 22.

Neutrino Physics Research인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 레프톤 수 위반 메커니즘을 규명하기 위해 고에너지 물리 모델을 중성미자 없는 이중베타 붕괴(0νββ) 실험 관측과 연결하는 종합적인 이론적 길라잡이를 제시한다. 이는 효과적 필드 이론(EFTs), 격자 QCD 계산, 그리고 기본 원리에 기반한 핵 구조 방법을 포함한다. 향후 0νββ 실험 결과를 해석하고 기본적인 레프톤 수 위반 메커니즘을 규명하기 위한 다중 스케일 프레임워크를 수립한다.

ABSTRACT

The observation of neutrino oscillations and hence non-zero neutrino masses provided a milestone in the search for physics beyond the Standard Model. But even though we now know that neutrinos are massive, the nature of neutrino masses, i.e., whether they are Dirac or Majorana, remains an open question. A smoking-gun signature of Majorana neutrinos is the observation of neutrinoless double-beta decay, a process that violates the lepton-number conservation of the Standard Model. This white paper focuses on the theoretical aspects of the neutrinoless double-beta decay program and lays out a roadmap for future developments. The roadmap is a multi-scale path starting from high-energy models of neutrinoless double-beta decay all the way to the low-energy nuclear many-body problem that needs to be solved to supplement measurements of the decay rate. The path goes through a systematic effective-field-theory description of the underlying processes at various scales and needs to be supplemented by lattice quantum chromodynamics input. The white paper also discusses the interplay between neutrinoless double-beta decay, experiments at the Large Hadron Collider and results from astrophysics and cosmology in probing simplified models of lepton-number violation at the TeV scale, and the generation of the matter-antimatter asymmetry via leptogenesis. This white paper is prepared for the topical groups TF11 (Theory of Neutrino Physics), TF05 (Lattice Gauge Theory), RF04 (Baryon and Lepton Number Violating Processes), NF03 (Beyond the Standard Model) and NF05 (Neutrino Properties) within the Theory Frontier, Rare Processes and Precision Frontier, and Neutrino Physics Frontier of the U.S. Community Study on the Future of Particle Physics (Snowmass 2021).

연구 동기 및 목표

• 레프톤 수 위반의 고에너지 모델과 0νββ 붕괴에서의 저에너지 핵 매트릭스 원소(NMEs)를 연결하는 체계적인 이론적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 다양한 에너지 스케일에서 효과적 필드 이론(EFTs)을 활용하여 입자 물리학 모델과 핵 many-body 계산 간 격차를 메우기 위해.
• 향후 격자 QCD 계산이 0νββ 붕괴에 관련된 두 뉴클레온 매트릭스 원소와 저에너지 상수(LECs)를 정밀하게 결정하도록 이끌기 위해.
• 결합 클러스터(CC)와 IMSRG와 같은 기본 원리에 기반한 방법을 활용하여 핵 구조 계산의 정확도와 불확실성 정량화를 향상시키기 위해.
• 대형 하드론 충돌기(LHC), 천체물리학, 천문학에서의 제약 조건을 단순화된 레프톤 수 위반 모델에 통합하여 0νββ 실험 결과를 해석할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 다중 스케일 효과적 필드 이론(EFT) 접근법을 활용하여 고에너지 물리 모델을 0νββ 붕괴에서의 저에너지 핵 관측량에 체계적으로 매칭하기 위해.
• 격자 양성치역학(Lattice QCD)을 활용하여 0νββ 과정에 관련된 두 뉴클레온 에너지 스펙트럼, 산란 강도, 전이 매트릭스 원소를 계산하기 위해.
• 격자 QCD 출력물을 물리적 관측량으로 일반화하는 맵핑 기법을 개발하며, 일반적으로 일관성을 확보하기 위해 중간 단계의 EFT 기술이 필요할 수 있음.
• EFT 기반 해밀토니안을 사용하여 핵 매트릭스 원소를 계산하기 위해 기본 원리에 기반한 many-body 방법—특히 결합 클러스터(CC)와 중간 상태 유사 회전군(IMSRG)—를 활용하기 위해.
• EFT와 비선회적 many-body 방법 간의 일관성 문제를 다루어 핵 매트릭스 원소의 불확실성 정량화를 수행하기 위해.
• 대형 하드론 충돌기(LHC), 천체물리학, 천문학에서의 제약 조건을 통합하여 테바 스케일에서의 레프톤 수 위반 단순 모델을 테스트하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 효과적 필드 이론은 어떻게 다양한 에너지 스케일에서 고에너지 레프톤 수 위반 모델과 0νββ 붕괴에서의 저에너지 핵 매트릭스 원소를 체계적으로 연결할 수 있는가?
• RQ2 두 뉴클레온 시스템의 격자 QCD 계산은 0νββ 붕괴에 관련된 저에너지 상수와 전이 매트릭스 원소를 어떻게 제약 조건을 줄 수 있는가?
• RQ3 결합 클러스터(CC)와 IMSRG와 같은 기본 원리에 기반한 핵 구조 방법은 어떻게 개선되어 더 정확하고 신뢰할 수 있는 핵 매트릭스 원소를 제공할 수 있는가?
• RQ4 LHC, 천체물리학, 천문학에서의 제약 조건은 0νββ 붕괴에서 다양한 레프톤 수 위반 메커니즘을 어떻게 구분하는 데 기여하는가?
• RQ5 0νββ 붕괴에서 예측 능력을 확보하기 위해 해결해야 할 격자 QCD와 핵 many-body 계산의 주요 체계적 불확실성은 무엇인가?

주요 결과

• 격자 QCD는 0νββ 붕괴의 EFT 기반 기술에서 알려지지 않은 저에너지 상수(LECs)를 제약 조건에 넣을 수 있으며, 이는 더 높은 예측 능력을 가능하게 한다.
• 정확한 0νββ 매트릭스 원소 계산을 위해 두 뉴클레온 에너지 스펙트럼과 산란 강도에 대한 체계적인 격자-QCD 계산이 필수적이다.
• EFT 기반 상호작용을 사용하는 기본 원리 방법—결합 클러스터(CC)와 IMSRG—는 이미 0νββ 붕괴를 위한 첫 번째 세대 핵 매트릭스 원소를 생성하였다.
• CC와 IMSRG 방법의 정확도를 크게 향상시키기 위해서는 대규모 코드 재작성과 광범위한 계산 자원 접근이 필요하다.
• 핵 매트릭스 원소의 정량적 불확실성을 확보하기 위해 EFT와 비선회적 many-body 방법 간의 일관성 문제를 해결해야 한다.
• 0νββ 붕괴 분야의 이론적 진전은 향후 톤 규모 실험을 해석하기 위해 입자 물리학, 격자 QCD, 핵 이론 간의 유기적인 협력이 필요하다.