[论文解读] Distinguishing the neutrinoless double beta decay mechanisms

F. Šimkovic, Amand Faessler|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2001

Neutrino Physics Research被引用 38

一句话总结

本文提出，要区分竞争性的无中微子双贝塔衰变（0νββ）机制——如轻/重马约拉纳中微子交换与R-宇称破坏的SUSY——需测量衰变至第一激发态0⁺的半衰期与基态相比的比值。通过结合理论核矩阵元与这些比值的实验测量，可识别主导的0νββ机制，因为不同机制下的矩阵元比值（ξₘ）存在显著差异，尤其在⁸²Se、¹⁰⁰Mo与¹³⁶Xe同素中。

ABSTRACT

Many new neutrinoless double beta decay (0nbb) experiments are planned or in preparation. If the 0nbb-decay will be detected, the key issue will be what is the dominant mechanism of this process. By measuring only transitions to the ground state one can not distinguish among many of the 0nbb-decay mechanisms (the light and heavy Majorana neutrino exchange mechanisms, the trilinear R-parity breaking mechanisms etc.). We show that if the ratio of the 0nbb-decay half-lifes for transitions to the 0^+ first excited and ground states is determined both theoretically and experimentally, it might be possible to determine, which 0nbb-decay mechanisms is dominant. For that purpose the corresponding nuclear matrix elements have to be evaluated with high reliability. The present work is giving strong motivations for experimental studies of the 0nbb-decay transitions to the first excited 0^+ states of the final nuclei.

研究动机与目标

• 解决一个关键挑战：当仅测量基态跃迁时，观测到的0νββ衰变主导机制仍不明确。
• 证明向第一激发态0⁺₁的跃迁可提供独特的实验手段，以区分在能级上无法区分的0νββ机制。
• 强调精确理论核矩阵元对0⁺₁末态的必要性，以实现机制区分。
• 推动实验努力聚焦于0⁺₁末态，其灵敏度需比基态搜索提高10–100倍。

提出的方法

• 计算0νββ衰变至第一激发态0⁺₁与基态0⁺_g.s.的半衰期比值，定义为ξ_full = ξ_kin × ξ_M。
• 运动学因子ξ_kin由相空间积分导出，对所有机制相同，仅依赖于Q值。
• 利用夸格子粒子随机相位近似（QRPA）结合玻色子展开方法，计算至0⁺₁与0⁺_g.s.的核矩阵元（M）。
• 计算机制相关因子ξ_M = |M(0⁺_g.s.) / M(0⁺₁)|²，涵盖轻马约拉纳中微子、重马约拉纳中微子及三线性R-宇称破坏SUSY机制。
• 分析应用于四种同素：⁷⁶Ge、⁸²Se、¹⁰⁰Mo与¹³⁶Xe，结果汇总于表1，并在图2中可视化。
• 该方法假设某一时刻仅一种机制占主导，从而可通过ξ_full比值实现清晰区分。

实验结果

研究问题

• RQ1 0νββ衰变至第一激发态0⁺₁与基态的半衰期比值能否区分轻与重马约拉纳中微子交换及R-宇称破坏SUSY机制？
• RQ2 为何仅测量基态跃迁不足以识别主导的0νββ衰变机制？
• RQ3 不同0νββ机制下，至0⁺₁态的核矩阵元与至基态的核矩阵元相比如何？
• RQ4 基于ξ_full，哪些同素对区分这些机制具有最佳灵敏度？
• RQ5 为观测0νββ衰变至0⁺₁态，需进行哪些实验改进？

主要发现

• 运动学因子ξ_kin在¹³⁶Xe中最大（21.1），在¹⁰⁰Mo中最小（5.16），表明在较重同素中，0⁺₁跃迁的相空间抑制更强。
• 矩阵元比值ξ_M在R-宇称破坏SUSY机制中最大，尤其在¹⁰⁰Mo与¹³⁶Xe中，与中微子交换机制的差异最为显著。
• 完整抑制比值ξ_full在¹³⁶Xe中最大（≈21.1 × ξ_M），表明该同素中0⁺₁跃迁相对于基态的抑制最强。
• 对于⁸²Se与⁷⁶Ge，轻与重马约拉纳中微子机制的ξ_M值存在显著差异，使其成为机制区分的最佳候选同素。
• ξ_full在所有同素中主要由ξ_M主导，证实机制区分取决于核矩阵元计算的准确性。
• 本研究结论认为，在NEMO-III、CUORE或MAJORANA等实验中同时观测基态与0⁺₁态跃迁，可解决主导的0νββ衰变机制。