[논문 리뷰] Pion Exchange Currents in Neutrinoless Double Beta Decay and Limits on Supersymmetry

Amand Faessler, Sergey Kovalenko외 2명|arXiv (Cornell University)|1997. 11. 13.

Neutrino Physics Research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 R-짝성 위반 초대칭(SUSY) 내에서 뉴트리노 없는 이중베타 붕괴(0νββ)의 펄슨-교환 전류를 연구하며, 양성자-중성자 쌍성립을 포함한 재정규화된 준입자 무작위상위상근사(quasiparticle random phase approximation, QRPA)를 사용하여 핵행렬원소를 계산한다. 연구 결과, 펄슨-교환 모드가 전통적인 이핵자 모드보다 지배적이며, SUSY 기여에 대한 민감도를 크게 향상시키고, 이전에 예상된 것보다 더 강력한 상한값을 $ \lambda'_{111}$에 대해 도출한다.

ABSTRACT

We examine the pion exchange mode of neutrinoless double beta decay induced by the R-parity violating quark-lepton operators of the supersymmetric (SUSY) extensions of the standard model of the electroweak interactions. The corresponding nuclear matrix elements are evaluated within the renormalized quasiparticle random phase approximation with proton-neutron pairing, which includes the Pauli effect of fermion pairs and does not collapse for a physical value of the nuclear force strength. It is argued that the pion-exchange mode of neutrinoless double beta decay dominates over the conventional two-nucleon mode in the case of the SUSY mechanism. As a result sensitivity of neutrinoless double beta decay to the SUSY contribution turns out to be significantly better that previously expected from the two-nucleon mode calculations. An upper limit on the R-parity violating coupling $λ'_{111}$ is derived from non-observation of neutrinoless double beta decay. This limit is much stronger than that expected from the near future accelerator experiments.

연구 동기 및 목표

• R-짝성 위반 SUSY 모델 내에서 뉴트리노 없는 이중베타 붕괴에 대한 펄슨-교환 전류의 역할을 평가하기 위해.
• 양성자-중성자 쌍성립을 포함한 재정규화된 준입자 무작위상위상근사(QRPA)를 사용하여 펄슨-교환 메커니즘의 핵행렬원소를 평가하기 위해.
• 전통적인 이핵자 모드와 비교하여 펄슨-교환 모드가 0νββ 붕괴 진폭에 기여하는 정도를 평가하기 위해.
• 0νββ 붕괴의 비관측 결과를 바탕으로 $ \lambda'_{111}$의 더 엄격한 상한값을 유도하기 위해.

제안 방법

• 연구는 양성자-중성자 쌍성립을 포함한 재정규화된 준입자 무작위상위상근사(QRPA)를 사용하여 핵행렬원소를 계산한다.
• fermion 쌍에 대한 폴라 blocking 효과를 포함하여 물리적 핵력 강도에서 메서드가 안정성을 유지하도록 보장한다.
• 펄슨-교환 전류 연산자는 표준모형의 초대칭 확장 내에서 R-짝성 위반 쿼크-레프톤 상호작용에서 유도된다.
• 0νββ 붕괴 실험에 관련된 후보 동위원소에 대해 행렬원소를 계산한다.
• 기여의 지배성 평가를 위해 전통적인 이핵자 메커니즘 결과와 비교한다.
• 0νββ 붕괴의 비관측 결과를 바탕으로 $ \lambda'_{111}$에 대한 모델 독립적인 상한값을 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 R-짝성 위반 SUSY 유도 뉴트리노 없는 이중베타 붕괴에서 펄슨-교환 전류 메커니즘이 이핵자 메커니즘보다 지배적인가?
• RQ2 폴라 블로킹과 양성자-중성자 쌍성립은 펄슨-교환 채널의 핵행렬원소에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 SUSY 모델에서 펄슨-교환 전류가 총 0νββ 붕괴 진폭에 기여하는 상대적 기여도는 얼마인가?
• RQ4 펄슨-교환 모드와 이핵자 모드 간에 R-짝성 위반 커플링에 대한 민감도는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 0νββ 붕괴의 비관측 결과를 바탕으로 펄슨-교환 경로를 통해 얻는 $ \lambda'_{111}$에 대한 상한값이 가속기 실험보다 더 강력한가?

주요 결과

• R-짝성 위반 SUSY 유도 뉴트리노 없는 이중베타 붕괴에서 펄슨-교환 모드가 전통적인 이핵자 모드를 지배한다.
• 양성자-중성자 쌍성립을 포함한 재정규화된 준입자 RPA는 물리적 핵력 강도에서 붕괴하지 않는 안정한 행렬원소를 도출한다.
• 펄슨-교환 메커니즘은 0νββ 붕괴 실험의 R-짝성 위반 SUSY 커플링에 대한 민감도를 향상시킨다.
• 0νββ 붕괴의 비관측 결과를 바탕으로 $ \lambda'_{111}$에 대한 상한값이 도출되었으며, 이는 향후 가속기 실험에서 예상되는 것보다 훨씬 더 강력하다.
• 본 연구는 펄슨-교환 전류가 이전에 상정된 것보다 R-짝성 위반 SUSY를 탐색하는 데 더 유리한 경로를 제공함을 보여준다.