[论文解读] Neutrinoless double beta decay: searching for new physics with comparison of different nuclei

Ahmed Ali, A. V. Borisov+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用 4

一句话总结

本文通过使用通用洛伦兹不变有效拉格朗日量，研究了多种同素体（76Ge、82Se、100Mo、130Te 和 136Xe）中的无中微子双贝塔衰变（0ν2β），以分离新物理机制。结果表明，通过比较不同核素的半衰期和电子角相关性，可降低核矩阵元的理论不确定性，并识别主导衰变机制，其中100Mo和82Se对特定新物理贡献最为敏感。

ABSTRACT

The neutrinoless double beta decay is analyzed using a general Lorentz invariant effective Lagrangian for various decaying nuclei of current experimental interest: $^{76}$Ge, $^{82}$Se, $^{100}$Mo, $^{130}$Te, and $^{136}$Xe. We work out the half-lives and angular correlation coefficients of the outgoing electrons in several scenarios for new physics: the left-right symmetric models, the R-parity-violating SUSY and models with leptoquarks. The theoretical uncertainty in the nuclear matrix elements is discussed.

研究动机与目标

• 通过在多个同素体间比较结果，减少0ν2β衰变中核矩阵元的理论不确定性。
• 识别主导新物理机制（例如，轻子荷子、R-奇偶性破坏的SUSY、左右对称模型）在0ν2β衰变中的作用。
• 通过半衰期和角相关性评估不同核素对特定非标准模型贡献的敏感性。
• 评估未来实验测量电子角相关性的潜力，以区分竞争机制。
• 为利用多核素比较从0ν2β衰变数据中提取中微子质量与混合信息提供框架。

提出的方法

• 使用通用洛伦兹不变有效拉格朗日量描述0ν2β衰变，包含马约拉纳中微子、轻子荷子、R-奇偶性破坏的SUSY以及右手中微子W玻色子的贡献。
• 应用微分衰变宽度公式 dΓ/dcosθ = (ln 2/2)|M_GT|²𝒜(1−Kcosθ)，其中K为依赖新物理参数的角相关性系数。
• 计算相对于研究最充分的同素体76Ge的半衰期比值（ℛ）和角相关性系数比值（𝒦），以分离模型无关的信号。
• 考虑两种情形：(A) 有效马约拉纳质量|⟨m⟩|非零，包含SM与马约拉纳中微子交换；(B) |⟨m⟩|为零，但新物理系数ε非零。
• 通过QRPA方法（含与不含p-n配对）进行数值分析，评估结果对模型的依赖性。
• 聚焦V−A、V+A和T_L,R当前结构，分离特定新物理算符的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 当考虑不同新物理机制时，0ν2β衰变在不同同素体中的半衰期如何变化？
• RQ2 角相关性系数在多大程度上有助于区分0ν2β衰变中竞争的新物理模型？
• RQ3 哪些同素体对对如R-奇偶性破坏的SUSY或轻子荷子等特定新物理贡献最为敏感？
• RQ4 核矩阵元的理论不确定性在多大程度上影响了不同核素中0ν2β衰变数据的解释？
• RQ5 多核素比较能否降低识别0ν2β衰变潜在机制的模糊性？

主要发现

• 100Mo的𝒦_{V±A}^{V−A}比值为1.08，表明其对V−A当前贡献高度敏感；而82Se的𝒦_{V+A}^{V−A} = 1.11，表明其对V+A项敏感。
• 在半衰期方面，100Mo对ε_{V−A}^{V+A}的敏感度最高，ℛ_{V−A}^{V+A} = 52.87（QRPA无配对），而82Se对ε_{V+A}^{V+A}的敏感度最高，ℛ_{V+A}^{V+A} = 0.24。
• 130Te的ℛ_{V−A}^{V−A}比值为0.24（无配对），表明其半衰期显著低于76Ge，暗示强烈依赖模型。
• 角相关性比值，尤其是𝒦_{V−A}^{V+A}，在很大程度上独立于核矩阵元，使其成为探测新物理的稳健探针。
• 76Ge–100Mo对ε_{V±A}^{V+A}的角相关性最为敏感，100Mo的𝒦_{V±A}^{V−A} = 1.08。
• 100Mo–130Te对半衰期中ε_{V−A}^{V+A}的敏感度最高，130Te的ℛ_{V−A}^{V+A} = 1.11，100Mo的ℛ_{V−A}^{V+A} = 52.87，表明具有强大的区分潜力。