[論文レビュー] Towards an effective field theory approach to the neutrinoless double-beta decay

Mihai Horoi, Andrei Neacsu|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2017

Neutrino Physics Research被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、核行列要素（NME）と最新の実験的半減期限界を用いて、レプトン数破れを伴う結合定数および新しい物理学のエネルギースケールに関する制約を抽出する、モデルに依存しない有効場理論（EFT）フレームワークを開発する。この研究では、5つの実験的に関心の高い核種において、11個のEFT結合定数および有効メジャノン質量の新たな下限を提示し、特定の標準模型を越えたモデルに依存しない一般的な手法を提供する。

ABSTRACT

Weak interaction in nuclei represents a well-known venue for testing many of the fundamental symmetries of the Standard Model. In particular, neutrinoless double-beta decay offers the possibility to test Beyond Standard Model theories predicting that neutrinos are Majorana fermions and the lepton number conservation is violated. This paper focuses on an effective field theory approach to neutrinoless double-beta decay for extracting information regarding the properties of the Beyond Standard Model Lagrangian responsible for this process. We use shell model nuclear matrix elements and the latest experimental lower limits for the half-lives to extract the lepton number violating parameters of five nuclei of experimental interest, and lower limits for the energy scales of the new physics.

研究の動機と目的

• 特定の標準模型を越えたモデル（BSM）に依存しない、ニュートリノ無し二重ベータ崩壊の一般有効場理論（EFT）フレームワークの構築を目的とする。
• 核行列要素（NME）を用いて、実験的半減期限界からレプトン数破れ結合定数および有効メジャノン質量の制約を抽出することを目的とする。
• 実験的関心の高い5つの核種において、0νββ崩壊を引き起こす新しい物理学のエネルギースケールの下限を導出することを目的とする。
• 従来は特定のメカニズムでのみ検討されていた3つの新しいハドロン的レベルの図をEFT解析に組み込むこと。
• 導出されたEFT結合定数が左-右対称モデルの予測とどのように一致するかを評価すること。

提案手法

• 本研究では、ローレンツ不変性およびゲージ対称性を満たすすべての低エネルギー作用素を含む、0νββ崩壊の一般EFT形式を採用する。
• 核行列要素（NME）は、現実的な有効相互作用（例：GXPF1A、JUN45、SVD）を用いた相互作用的殻模型（ISM）で計算され、短距離相関効果は関数 $ f(r) = 1 - ce^{-ar^2}(1 - br^2) $ を用いて取り入れられる。
• 位相空間要因（PSF）は、軸性およびベクトルカレントのためのダイポール型フォーム因子による有限サイズ補正を含む相対論的位相空間積分で計算される。
• EFTアプローチでは、長距離（パイオン交換）および短距離（二パイオン、二パイオン-ヌクレオン）メカニズムの両方の寄与を含み、核子構造効果を記述するためのフォーム因子 $ g_A(q^2), g_V(q^2), g_M(q^2) $ を用いる。
• 振幅は、ガモフ-テラー（GT）、フェルミ（F）、テンソル（T）および $ GT ilde{} $、$ T ilde{} $、$ GT ilde{}_{ u ext{-}pion} $、$ T ilde{}_{ u ext{-}pion} $ などの追加項に分解され、それぞれ異なる運動量依存性を持つ。
• 理論的崩壊率（NME、PSF、結合定数の強さから計算）と最新の実験的半減期下限を比較することで、EFT結合定数の制約を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ無し二重ベータ崩壊の有効場理論において、モデルに依存しないレプトン数破れ結合定数の制約は何か？
• RQ2 抽出されたEFT結合定数の限界は、左-右対称モデルなどの特定モデルの予測とどのように比較できるか？
• RQ3 現在の半減期限界に基づいて、0νββ崩壊を引き起こす新しい物理学のエネルギースケールの下限は何か？
• RQ4 EFTフレームワークにおいて、新しい物理学の寄与に最も感受しやすい核行列要素（NME）と位相空間要因は何か？
• RQ5 有限サイズ効果および短距離相関は、NMEおよびそれによる結合定数の制約にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 有効メジャノン質量の新たな下限が抽出され、特に136Xeからの最も厳しい制約が、現在の実験的半減期限界と整合的である。
• 48Ca、76Ge、82Se、130Te、136Xeの5つの核種について、GT、F、T、およびパイオン交換カレントに関連する11個の追加の低エネルギーEFT結合定数の新たな下限が提示された。
• 最も感受性の高い核種では、新しい物理学のエネルギースケールが約100 TeV以上に制約される。これは、想定される主要メカニズムに依存する。
• 従来は特定のモデルでのみ検討されていた3つの新しいハドロン的図を組み込むことで、EFTフレームワークにおける感度が向上し、結合定数の制約が厳しくなった。
• 76Geおよび136XeにおけるEFT結合定数は、左-右対称モデルの予測と整合的であることが判明し、一般的手法の妥当性が裏付けられた。
• シェル模型NMEに有限サイズ効果および短距離相関効果を組み合わせた場合、特に重い核種において、新しい物理学への感受性が顕著に変化することが示された。