[논문 리뷰] New physics effects on neutrinoless double beta decay from right-handed current

Shao-Feng Ge, M. Lindner외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 28.

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한 줄 요약

이 논문은 타입-II 시즈미 메커니즘을 포함한 좌우 대칭 모형(LRSM) 내에서 오른쪽 수류 전류로부터 중성미자 없는 이중 베타 붕괴(0νββ)에 기여하는 새로운 물리학 기여를 조사한다. 오른쪽 수류 전류 기여가 천체물리학적으로 유리한 정규 중성미자 질량 계단조차도 현재의 0νββ 붕괴 실험 한계를 달성할 수 있음을 보여주며, 핵행렬원소의 불확실성을 피하기 위해 이so토프 쌍 비율을 사용하여 좌우 수류 기여를 분리하는 방법을 제안한다.

ABSTRACT

We study the impact of new physics contributions to neutrinoless double beta decay arising from right-handed current in comparison with the standard mechanism. If the light neutrinos obtain their masses from Type-II seesaw within left-right symmetric model, where the Type-I contribution is suppressed to negligible extent, the right-handed PMNS matrix is the same as its left-handed counterpart, making it highly predictable and can be tested at next-generation experiments. It is very attractive, especially with recent cosmological constraint favoring the normal hierarchy under which the neutrinoless double beta decay is too small to be observed unless new physics appears as indicated by the recent diboson excess observed at ATLAS. The relative contributions from left- and right-handed currents can be reconstructed with the ratio between lifetimes of two different isotopes as well as the ratio of nuclear matrix elements. In this way, the theoretical uncertainties in the calculation of nuclear matrix elements can be essentially avoided. We also discuss the interplay of neutrinoless double beta decay measurements with cosmology, beta decay, and neutrino oscillation.

연구 동기 및 목표

• 좌우 대칭 모형(LRSM)의 맥락에서 오른쪽 수류 전류가 중성미자 없는 이중 베타 붕괴(0νββ)에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 천체물리학적으로 유리한 정규 중성미자 질량 계단 하에서 오른쪽 수류 전류로부터 기인하는 새로운 물리학 기여가 관측된 0νββ 붕괴율을 설명할 수 있는지 평가하는 것.
• 핵행렬원소의 이론적 불확실성을 피하기 위해 이소토프 쌍 비율을 사용하여 좌우 수류 전류 기여를 분리하는 방법을 제안하는 것.
• 0νββ 측정치, 천체물리학적 제약, 베타 붕괴 및 중성미자 진동 데이터 간의 상호작용을 탐색하는 것.
• collider 측정치를 통한 오른쪽 수류 섹터 측정과 결합할 경우, 마요라나 CP 위상과 중성미자 질량 계단이 유일하게 결정될 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 타입-II 시즈미 메커니즘을 통해 경량 중성미자 질량이 트리플렛 힉스 교환에 의해 기인하는 LRSM 내에서 오른쪽 수류 전류가 0νββ 붕괴에 기여하는 방식을 분석한다.
• 동일한 혼합 각도와 CP 위상을 포함하여 표준(좌측 수류) 및 새로운 물리학(우측 수류) 기여에 대한 효과적 마요라나 질량 매개변수를 유도한다.
• 두 가지 다른 이소토프(예: ⁷⁶Ge 및 ¹³⁶Xe)의 반감기와 핵행렬원소의 비율을 사용하여 핵행렬원소의 이론적 불확실성을 상쇄시킨다.
• 두 개의 마요라나 CP 위상을 변화시켜 효과적 마요라나 질량 매개변수의 최대 및 최소 값을 결정하기 위해 기하학적 접근을 적용한다.
• 경량 마요라나 중성미자 기여와 오른쪽 수류 전류에 의해 유도되는 새로운 물리학 기여를 하나의 식으로 통합하여 총 효과적 질량을 표현한다.
• 미래의 여러 이소토프에서의 0νββ 측정치와 W′ 및 오른쪽 수류 중성미자 매개변수에 대한 collider 데이터를 조합하면, 마요라나 CP 위상과 질량 계단이 유일하게 결정될 수 있음을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 천체물리학적으로 유리한 정규 중성미자 질량 계단 하에서도 LRSM 내 오른쪽 수류 전류 기여가 관측된 0νββ 붕괴율을 설명할 수 있는가?
• RQ2 핵행렬원소의 불확실성에도 불구하고, 좌우 수류 전류의 상대 기여는 어떻게 실험적으로 분리할 수 있는가?
• RQ3 경량 중성미자와 오른쪽 수류 전류의 조합 기여가 0νββ 붕괴에 기여할 때 마요라나 CP 위상의 역할은 무엇인가?
• RQ4 0νββ, 천체물리학, 그리고 collider 물리학(예: LHC에서의 W′) 간의 상호작용이 중성미자 질량 계단과 CP 위상을 유일하게 결정할 수 있는가?
• RQ5 다른 이소토프에서의 반감기 비율이 0νββ 붕괴의 표준 메커니즘을 초월한 새로운 물리학을 깔끔하게 탐지하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 타입-II 시즈미를 포함한 LRSM 내 오른쪽 수류 전류 기여는 정규 계단 조건 하에서도 현재의 0νββ 붕괴 반감기 실험 한계를 달성할 수 있으며, 향후 세대 실험에서 검증 가능하다.
• 두 가지 다른 이소토프(예: ⁷⁶Ge 및 ¹³⁶Xe)의 0νββ 붕괴 반감기 비율을 사용하면 좌우 수류 전류의 상대 기여를 재구성할 수 있으며, 핵행렬원소의 불확실성을 효과적으로 상쇄시킬 수 있다.
• 오른쪽 수류 전류 기여에 대한 효과적 마요라나 질량 매개변수는 표준 메커니즘과 동일한 혼합 각도와 CP 위상에 비례하므로, 최대 및 최소 값을 통합적으로 기하학적으로 다룰 수 있다.
• 미래의 오른쪽 수류 섹터 측정치(예: W′ 질량 및 혼합)와 결합하면 두 개의 마요라나 CP 위상은 중복 없이 유일하게 결정될 수 있다.
• 모델은 0νββ와 LRSM 매개변수를 모두 측정할 경우, |m^N_ee / m^ν_ee| 비율을 사용하여 경량 중성미자 질량 계단을 구별할 수 있다고 예측한다.
• ATLAS 이중 보손 초과 신호에서 암시되는 2 TeV의 W′ 보손 존재는 큰 오른쪽 수류 전류 기여를 실현할 수 있는 타당한 프레임워크를 제공하며, 현재의 0νββ 한계와도 일치한다.