[论文解读] New physics potential of double beta decay and dark matter search

H. V. Klapdor‐Kleingrothaus, Heinrich Päs|ArXiv.org|Aug 18, 1998

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文综述了双贝塔衰变和直接暗物质探测在探测标准模型之外物理学方面的潜力，重点分析了海德堡-莫斯科实验的约束。研究给出了有效马约拉纳中微子质量、左右对称模型、轻子荷子、超对称性以及自旋无关的WIMP-核子相互作用的严格限制，同时概述了未来GENIUS计划在提升灵敏度方面的前景。

ABSTRACT

The search for neutrinoless double beta decay and WIMP dark matter has a broad potential to test particle physics beyond the standard model. During the last years, the analysis of various contributions to the double beta decay rate by the Heidelberg group led, besides the most restrictive limit on the effective Majorana neutrino mass, to bounds on left-right-symmetric models, leptoquarks and supersymmetry. In a general framework bounds on arbitrary lepton number violating theories can be derived. Using double beta technology for direct dark matter detection, stringent limits on the spin-independent WIMP--nucleon interaction have been obtained. These results deduced from the Heidelberg-Moscow double beta decay experiment are reviewed. Also an outlook on the future of double beta decay and dark matter search, the GENIUS proposal, is given.

研究动机与目标

• 评估双贝塔衰变与直接暗物质探测在探测标准模型之外物理学方面的潜力。
• 利用双贝塔衰变数据推导出轻子数违反理论的模型无关约束。
• 将双贝塔衰变技术应用于设定自旋无关的WIMP-核子相互作用的严格限制。
• 回顾来自海德堡-莫斯科实验的最严格实验约束，针对有效马约拉纳中微子质量。
• 提出GENIUS计划作为下一代方法，以提升双贝塔衰变与暗物质探测的灵敏度。

提出的方法

• 分析各种标准模型之外机制对双贝塔衰变率的贡献，包括轴子发射和R-奇偶性破坏的超对称理论。
• 利用海德堡-莫斯科双贝塔衰变实验数据，约束有效马约拉纳中微子质量及其他参数。
• 将双贝塔衰变探测器技术应用于直接暗物质探测，利用相似的低本底技术。
• 基于双贝塔衰变率形式化，推导出轻子数违反相互作用的模型无关约束。
• 利用左右对称模型和轻子荷子模型等理论框架，解释实验限制。
• 概述GENIUS计划，该计划旨在通过低本底、高纯度锗探测器显著提升灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 从双贝塔衰变中获得的最严格实验限制，针对有效马约拉纳中微子质量是多少？
• RQ2 双贝塔衰变数据在多大程度上能约束左右对称模型、轻子荷子和R-奇偶性破坏的超对称性？
• RQ3 双贝塔衰变技术在多大程度上可被重新用于直接探测自旋无关的WIMP-核子相互作用？
• RQ4 从双贝塔衰变中推导出的轻子数违反理论的模型无关约束是什么？
• RQ5 GENIUS计划如何提升双贝塔衰变与暗物质探测的灵敏度？

主要发现

• 海德堡-莫斯科实验在当时确立了有效马约拉纳中微子质量的最严格上限。
• 通过双贝塔衰变分析，对左右对称模型、轻子荷子和R-奇偶性破坏的超对称性得出了重要约束。
• 利用双贝塔衰变技术，对自旋无关的WIMP-核子散射截面设定了严格限制。
• 利用通用双贝塔衰变率形式化，推导出轻子数违反相互作用的模型无关约束。
• GENIUS计划被提出作为下一代实验，显著提升双贝塔衰变与暗物质探测的灵敏度。
• 本文展示了双贝塔衰变实验在探测中微子性质与暗物质两方面的双重用途。