[论文解读] New physics effects on neutrinoless double beta decay from right-handed current

Shao-Feng Ge, M. Lindner+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 44被引用 15

一句话总结

本文研究了在左-右对称模型（LRSM）与二级 seesaw 机制下，右手中微子流对无中微子双贝塔衰变（0νββ）的新物理贡献。结果表明，即使在宇宙学所青睐的正常中微子质量顺序下，右手中微子流的贡献仍可达到当前实验对 0νββ 衰变的限制，且提出通过同位素对的比值来区分左右贡献，从而避免核矩阵元带来的理论不确定性。

ABSTRACT

We study the impact of new physics contributions to neutrinoless double beta decay arising from right-handed current in comparison with the standard mechanism. If the light neutrinos obtain their masses from Type-II seesaw within left-right symmetric model, where the Type-I contribution is suppressed to negligible extent, the right-handed PMNS matrix is the same as its left-handed counterpart, making it highly predictable and can be tested at next-generation experiments. It is very attractive, especially with recent cosmological constraint favoring the normal hierarchy under which the neutrinoless double beta decay is too small to be observed unless new physics appears as indicated by the recent diboson excess observed at ATLAS. The relative contributions from left- and right-handed currents can be reconstructed with the ratio between lifetimes of two different isotopes as well as the ratio of nuclear matrix elements. In this way, the theoretical uncertainties in the calculation of nuclear matrix elements can be essentially avoided. We also discuss the interplay of neutrinoless double beta decay measurements with cosmology, beta decay, and neutrino oscillation.

研究动机与目标

• 研究在左-右对称模型（LRSM）背景下，右手中微子流对无中微子双贝塔衰变（0νββ）的影响。
• 评估右手中微子流带来的新物理贡献是否能解释观测到的 0νββ 衰变速率，尤其是在宇宙学所青睐的正常中微子质量顺序下。
• 提出一种利用同位素对的比值来区分左右中微子流贡献的方法，从而规避核矩阵元中的理论不确定性。
• 探讨 0νββ 测量、宇宙学约束、贝塔衰变及中微子振荡数据之间的相互作用。
• 证明当结合对右手中微子区的对撞机测量时，马约拉纳 CP 相位与中微子质量顺序可被唯一确定。

提出的方法

• 在 LRSM 中基于二级 seesaw 机制分析右手中微子流对 0νββ 衰变的贡献，其中轻中微子质量由三重态 Higgs 交换产生。
• 推导标准（左手中微子）与新物理（右手中微子）贡献的等效马约拉纳质量参数，采用相同的混合角与 CP 相位。
• 利用两种不同同位素（如 ⁷⁶Ge 与 ¹³⁶Xe）的半衰期与核矩阵元之比，以消除核矩阵元中的理论不确定性。
• 采用几何方法，通过变化两个马约拉纳 CP 相位，确定等效马约拉纳质量参数的最大值与最小值。
• 将轻马约拉纳中微子与右手中微子流诱导的新物理贡献合并为总有效质量的统一表达式。
• 提出未来对多个同位素的 0νββ 测量，结合对 W′ 与右手中微子参数的对撞机数据，可唯一确定马约拉纳 CP 相位与质量顺序。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宇宙学所青睐的正常中微子质量顺序下，LRSM 中右手中微子流的贡献是否仍能解释观测到的 0νββ 衰变速率？
• RQ2 尽管存在核矩阵元的不确定性，如何在实验上区分左右中微子流的相对贡献？
• RQ3 马约拉纳 CP 相位在轻中微子与右手中微子流共同贡献于 0νββ 衰变中起什么作用？
• RQ4 0νββ、宇宙学与对撞机物理（如 LHC 上的 W′）之间的相互作用是否能唯一确定中微子质量顺序与 CP 相位？
• RQ5 在不同同位素中半衰期的比值在多大程度上可作为 0νββ 衰变中超越标准机制的新物理的清晰探针？

主要发现

• 在 LRSM 与二级 seesaw 机制下，右手中微子流的贡献即使在正常质量顺序下，也能达到当前实验对 0νββ 衰变半衰期的限制，使其在下一代实验中可被检验。
• 利用两种不同同位素（如 ⁷⁶Ge 与 ¹³⁶Xe）的 0νββ 衰变半衰期之比，可重构左右中微子流的相对贡献，有效消除核矩阵元中的不确定性。
• 右手中微子流贡献的等效马约拉纳质量参数与标准机制成正比，且依赖于相同的混合角与 CP 相位，从而可对最大值与最小值进行统一的几何处理。
• 当结合未来对右手中微子区的对撞机测量（如 W′ 质量与混合参数）时，两个马约拉纳 CP 相位可被唯一确定，无简并性。
• 该模型预测，若同时测量 0νββ 与 LRSM 参数，比值 |m^N_ee / m^ν_ee| 可用于区分轻中微子质量顺序。
• ATLAS 二玻色子过剩所暗示的 2 TeV W′ 玻色子，为实现与当前 0νββ 限制一致的大规模右手中微子流贡献提供了可行框架。