[论文解读] Neutrinoless Double-Beta Decay: A Roadmap for Matching Theory to Experiment

Vincenzo Cirigliano, Zohreh Davoudi+17 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2022

Neutrino Physics Research被引用 12

一句话总结

本文提出了一套全面的理论路线图，旨在将高能物理模型与中微子无双贝塔衰变（0νββ）的实验观测联系起来，重点聚焦于有效场论（EFTs）、格点QCD计算以及从头算核结构方法。该研究建立了一个多尺度框架，以解释未来的0νββ实验并识别潜在的轻子数破坏机制。

ABSTRACT

The observation of neutrino oscillations and hence non-zero neutrino masses provided a milestone in the search for physics beyond the Standard Model. But even though we now know that neutrinos are massive, the nature of neutrino masses, i.e., whether they are Dirac or Majorana, remains an open question. A smoking-gun signature of Majorana neutrinos is the observation of neutrinoless double-beta decay, a process that violates the lepton-number conservation of the Standard Model. This white paper focuses on the theoretical aspects of the neutrinoless double-beta decay program and lays out a roadmap for future developments. The roadmap is a multi-scale path starting from high-energy models of neutrinoless double-beta decay all the way to the low-energy nuclear many-body problem that needs to be solved to supplement measurements of the decay rate. The path goes through a systematic effective-field-theory description of the underlying processes at various scales and needs to be supplemented by lattice quantum chromodynamics input. The white paper also discusses the interplay between neutrinoless double-beta decay, experiments at the Large Hadron Collider and results from astrophysics and cosmology in probing simplified models of lepton-number violation at the TeV scale, and the generation of the matter-antimatter asymmetry via leptogenesis. This white paper is prepared for the topical groups TF11 (Theory of Neutrino Physics), TF05 (Lattice Gauge Theory), RF04 (Baryon and Lepton Number Violating Processes), NF03 (Beyond the Standard Model) and NF05 (Neutrino Properties) within the Theory Frontier, Rare Processes and Precision Frontier, and Neutrino Physics Frontier of the U.S. Community Study on the Future of Particle Physics (Snowmass 2021).

研究动机与目标

• 开发一种系统性的理论框架，将轻子数破坏的高能物理模型与0νββ衰变中的低能核矩阵元（NMEs）联系起来。
• 通过在多个能量尺度上应用有效场论（EFTs），弥合粒子物理模型与核多体计算之间的鸿沟。
• 指导未来的格点QCD计算，以精确确定与0νββ衰变相关的两核子矩阵元和低能常数（LECs）。
• 通过耦合簇（CC）和IMSRG等从头算方法，提升核结构计算的精度与不确定性量化。
• 通过整合大型强子对撞机（LHC）、宇宙学和天体物理学的约束，在简化模型中解释0νββ实验结果。

提出的方法

• 采用多尺度有效场论（EFT）方法，系统地将高能物理模型与0νββ衰变中的低能核可观测量相匹配。
• 应用格点量子色动力学（格点QCD）计算与0νββ过程相关的两核子能谱、散射振幅和跃迁矩阵元。
• 开发从格点QCD输出到物理可观测量的一般映射，通常需要中间EFT描述以保证一致性。
• 采用从头算多体方法——特别是耦合簇（CC）和介质中相似性演化重正化群（IMSRG）——结合基于EFT的哈密顿量，计算核矩阵元。
• 通过解决EFT与非微扰多体方法之间的不一致性，量化核矩阵元中的不确定性。
• 整合大型强子对撞机（LHC）、宇宙学和天体物理学的约束，以在TeV尺度上检验轻子数破坏的简化模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何系统性地在不同能量尺度上应用有效场论，将高能轻子数破坏模型与0νββ衰变中的低能核矩阵元联系起来？
• RQ2 两核子体系的格点QCD计算在约束0νββ衰变的低能常数和跃迁矩阵元方面发挥什么作用？
• RQ3 如何改进如CC和IMSRG等从头算核结构方法，以获得更精确且可信赖不确定性的核矩阵元？
• RQ4 LHC、宇宙学和天体物理学的约束在区分0νββ衰变中不同轻子数破坏机制方面有何作用？
• RQ5 在格点QCD和核多体计算中，必须解决哪些关键系统性不确定性，才能实现0νββ衰变的预测能力？

主要发现

• 格点QCD有望约束0νββ衰变两核子区域能量描述中未知的低能常数（LECs），从而提升预测能力。
• 对两核子能谱和散射振幅进行系统性的格点QCD计算，是实现精确0νββ矩阵元计算的必要前提。
• 基于EFT相互作用的耦合簇和IMSRG等从头算方法，已成功生成了第一代0νββ衰变核矩阵元。
• 要显著提升CC和IMSRG方法的精度，需进行大规模代码重写并获取大量计算资源。
• 必须解决EFT与非微扰多体方法之间的不一致性，才能实现核矩阵元的可量化不确定性。
• 0νββ衰变的理论进展需要粒子物理、格点QCD和核理论的协同努力，以解释未来的吨级实验结果。