[논문 리뷰] Neutrinoless double beta decay: Electron angular correlation as a probe of new physics

Ahmed Ali, Borisov, A. V.외 1명|ArXiv.org|2006. 06. 07.

Neutrino Physics Research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 무중성자 이중베타붕괴(0ν2β)에서 전자의 각운동량 상관관계가 새로운 물리 모형, 특히 가벼운 메이저라 네트론을 포함한 장거리 메커니즘과 좌우대칭 모형에서의 오른쪽으로 회전하는 W 보손 간의 차이를 식별할 수 있음을 제안한다. 일반적인 로렌츠 불변 효과 라그랑지안에서 유도된 각도 분포를 통해, 이 연구는 각도 계수 K가 오른쪽으로 회전하는 W 보손의 질량과 효과적인 메이저라 네트론 질량에 의존함을 보여주며, 반감기 측정과 결합할 경우 모형 식별이 가능하다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

The angular distribution of the final electrons in the so-called long range mechanism of the neutrinoless double beta decay ($0 u2β$) is derived for the general Lorentz invariant effective Lagrangian. Possible theories beyond the SM are classified from their effects on the angular distribution, which could be used to discriminate among various particle physics models inducing $0 u2β$ decays. However, additional input on the effective couplings will be required to single out the light Majorana-neutrino mechanism. Alternatively, measurements of the effective neutrino mass and angular distribution in $0 u2β$ decays can be used to test the correlations among the parameters of the underlying physics models. This is illustrated for the left-right symmetric model, taking into account current phenomenological bounds.

연구 동기 및 목표

• 0ν2β 붕괴에서 전자의 각도 상관관계가 표준모형을 초월한 경쟁하는 새로운 물리 모형을 식별할 수 있는지 확인하는 것.
• 로렌츠 불변 효과 라그랑지안을 사용하여 장거리 메커니즘에 대한 일반적인 각도 분포를 유도하는 것.
• 좌우대칭 모형에서 각도 계수 K, 오른쪽으로 회전하는 W 보손 질량 m_WR, 효과적인 메이저라 네트론 질량 |⟨m⟩| 간의 상관관계를 분석하는 것.
• 현재의 현상학적 제약 조건 하에서 각도 상관관계가 모형 매개변수에 얼마나 민감한지 평가하는 것.
• 각도 상관관계 측정이 반감기 데이터와 결합될 경우 0ν2β 붕괴에서 경쟁하는 메커니즘을 분리하는 데 기여할 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 모든 가능한 텐서 구조(V±A, S±P, T_L,R)를 포함한 일반적인 로렌츠 불변 효과 라그랑지안을 사용하여 장거리 0ν2β 붕괴 메커니즘의 미분 붕괴률 dΓ/dcosθ를 유도한다.
• 각도 분포를 dΓ/dcosθ ∝ 1 - Kcosθ의 형태로 표현하며, 여기서 K는 강입자 및 렙톤 전류 행렬원소에 의존하는 각도 계수이다.
• 76Ge의 핵구조를 기반으로 한 QRPA 모형과 p-n 쌍화 모델을 사용하여 핵행렬원소(|M_GT| = 1.846, χ_F = 0.274, χ_{2-} = 0.551)를 계산한다.
• 문헌에서 얻은 위상공간 인자 G_01 = 7.928×10⁻¹⁵ yr⁻¹ 및 G_02 = 12.96×10⁻¹⁵ yr⁻¹를 사용하여 붕괴률을 계산한다.
• K = (y - 1)/(y + 1)의 핵심 관계를 유도하며, 여기서 y는 (|⟨m⟩|/m_e)² × (m_WR/m_WL)⁴ × (G_01/G_02)에 비례하며, K를 |⟨m⟩| 및 m_WR에 연결한다.
• ε = 10⁻⁶ 및 5×10⁻⁷ 조건에서 m_WR ≥ 1 TeV을 가정하여, K, m_WR, |⟨m⟩| 간의 상관관계를 나타내는 수치적 그림(Fig. 1–4)을 구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0ν2β 붕괴에서 각도 상관관계 계수 K는 좌우대칭 모형에서 오른쪽으로 회전하는 W 보손 메커니즘과 가벼운 메이저라 네트론 메커니즘을 식별할 수 있는가?
• RQ2 각도 계수 K는 효과적인 메이저라 네트론 질량 |⟨m⟩|과 오른쪽으로 회전하는 W 보손 질량 m_WR에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 특히 eV 이하 및 meV 영역에서 |⟨m⟩| 및 m_WR의 변화에 대해 전자의 각도 분포는 얼마나 민감한가?
• RQ4 각도 상관관계와 반감기 측정의 조합이 0ν2β 붕괴에서 지배적인 메커니즘을 제약하거나 식별하는 데 기여할 수 있는가?
• RQ5 현재의 현상학적 제약 조건인 m_WR 및 |⟨m⟩|이 각도 계수 K의 允許된 범위에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 0ν2β 붕괴 분포 dΓ/dcosθ ∝ 1 - Kcosθ에서 각도 계수 K는 효과적인 메이저라 네트론 질량 |⟨m⟩|과 오른쪽으로 회전하는 W 보손 질량 m_WR 간의 상호작용에 민감하다.
• |⟨m⟩| ≤ 10 meV일 경우, 각도 상관관계 계수 K는 표준모형에 가벼운 메이저라 네트론을 추가한 메커니즘과 좌우대칭 모형을 식별할 수 있다.
• 수치적 결과는 K가 m_WR과 |⟨m⟩|에 따라 -1에서 +1 사이로 변할 수 있으며, m_WR ≈ 1 TeV 및 |⟨m⟩| ≈ 1 meV 조건에서 K ≈ -1에 도달할 수 있음을 보여준다.
• 도표 5(오른쪽)에서 볼 수 있듯이, |⟨m⟩|이 낮을수록 K의 m_WR에 대한 민감도가 크게 증가하며, |⟨m⟩| = 1 meV일 경우 5 meV보다 m_WR 변화에 더 강하게 반응한다.
• K = 1 - 2G_02(|M_GT|χ_{2-}ε)²(m_WL/m_WR)⁴T_{1/2}의 관계는 측정 가능한 반감기 T_{1/2}와 각도 계수 K를 m_WR 및 ε에 연결하며, 이는 모형 식별을 가능하게 한다.
• ε = 10⁻⁶ 및 m_WR ≥ 1 TeV 조건에서, |⟨m⟩| ≈ 1 meV일 경우 각도 계수 K는 최소 -0.9에 도달할 수 있으며, 이는 가벼운 메이저라 네트론의 경우 K = 1과는 크게 다름을 시사한다.