[论文解读] Neutrinoless double beta decay: Electron angular correlation as a probe of new physics

Ahmed Ali, Borisov, A. V.+1 more|ArXiv.org|Jun 7, 2006

Neutrino Physics Research被引用 3

一句话总结

本文提出，无中微子双贝塔衰变（0ν2β）中的电子角相关性可区分新物理模型，特别是涉及轻Majorana中微子的长程机制与左右对称模型中的右手中微子W玻色子。通过从一般洛伦兹不变有效拉格朗日量推导角分布，研究显示角系数K取决于右手中微子W玻色子质量与有效Majorana中微子质量，结合半衰期测量可实现模型区分。

ABSTRACT

The angular distribution of the final electrons in the so-called long range mechanism of the neutrinoless double beta decay ($0 u2β$) is derived for the general Lorentz invariant effective Lagrangian. Possible theories beyond the SM are classified from their effects on the angular distribution, which could be used to discriminate among various particle physics models inducing $0 u2β$ decays. However, additional input on the effective couplings will be required to single out the light Majorana-neutrino mechanism. Alternatively, measurements of the effective neutrino mass and angular distribution in $0 u2β$ decays can be used to test the correlations among the parameters of the underlying physics models. This is illustrated for the left-right symmetric model, taking into account current phenomenological bounds.

研究动机与目标

• 确定0ν2β衰变中的电子角相关性是否能区分标准模型之外的竞争新物理模型。
• 利用洛伦兹不变有效拉格朗日量推导长程机制的一般角分布。
• 研究角系数K、右手中微子W玻色子质量m_WR与有效Majorana中微子质量|⟨m⟩|在左右对称模型中的关联。
• 评估角相关性在当前现象学约束下对模型参数的敏感性。
• 证明角相关性测量与半衰期数据结合可帮助区分0ν2β衰变中竞争机制。

提出的方法

• 使用包含所有可能张量结构（V±A、S±P、T_L,R）的一般洛伦兹不变有效拉格朗日量，推导长程0ν2β衰变机制的微分衰变宽度dΓ/dcosθ。
• 将角分布表示为dΓ/dcosθ ∝ 1 - Kcosθ，其中K为依赖核矩阵元与轻子流矩阵元的角系数。
• 基于QRPA模型与p-n配对，计算⁷⁶Ge的核矩阵元（|M_GT| = 1.846，χ_F = 0.274，χ_{2-} = 0.551）。
• 采用文献中的相空间因子G_01 = 7.928×10⁻¹⁵ yr⁻¹与G_02 = 12.96×10⁻¹⁵ yr⁻¹计算衰变宽度。
• 推导关键关系式K = (y - 1)/(y + 1)，其中y与(|⟨m⟩|/m_e)² × (m_WR/m_WL)⁴ × (G_01/G_02)成正比，建立K与|⟨m⟩|、m_WR的联系。
• 构建数值图（图1–4），展示在ε = 10⁻⁶与5×10⁻⁷下，K、m_WR与|⟨m⟩|之间的关联，假设m_WR ≥ 1 TeV。

实验结果

研究问题

• RQ1 0ν2β衰变中的角相关系数K能否区分左右对称模型中轻Majorana中微子机制与右手中微子W玻色子机制？
• RQ2 角系数K如何依赖于有效Majorana中微子质量|⟨m⟩|与右手中微子W玻色子质量m_WR？
• RQ3 电子角分布对|⟨m⟩|与m_WR变化的敏感性如何，特别是在亚eV与meV量级？
• RQ4 角相关性与半衰期测量结合能否帮助约束或识别0ν2β衰变中的主导机制？
• RQ5 当前对m_WR与|⟨m⟩|的现象学约束如何影响角系数K的允许范围？

主要发现

• 0ν2β衰变分布dΓ/dcosθ ∝ 1 - Kcosθ中的角系数K对有效Majorana中微子质量|⟨m⟩|与右手中微子W玻色子质量m_WR之间的相互作用敏感。
• 当|⟨m⟩| ≤ 10 meV时，角相关系数K可区分左右对称模型与标准模型加轻Majorana中微子机制。
• 数值结果表明，K可随m_WR与|⟨m⟩|在-1至+1之间变化，当m_WR ≈ 1 TeV且|⟨m⟩| ≈ 1 meV时，K ≈ -1。
• 角分布对m_WR的敏感性在|⟨m⟩|较低时显著增强，如图5（右）所示，当|⟨m⟩| = 1 meV时，K随m_WR的变化比|⟨m⟩| = 5 meV时更剧烈。
• 关系式K = 1 - 2G_02(|M_GT|χ_{2-}ε)²(m_WL/m_WR)⁴T_{1/2}将可测量的半衰期T_{1/2}与角系数K与m_WR和ε联系起来，实现模型区分。
• 当ε = 10⁻⁶且m_WR ≥ 1 TeV时，K可低至-0.9（对应|⟨m⟩| ≈ 1 meV），表明存在强烈的角相关性，显著偏离轻Majorana中微子情形下的K = 1。