[论文解读] Nuclear $β$ decay as a probe for physics beyond the Standard Model

M. Brodeur, N. Buzinsky+44 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2023

Neutrino Physics Research被引用 4

一句话总结

本白皮书倡导开展更深入的实验与理论核β衰变研究，以探测标准模型之外的新物理，利用稀有同素中β衰变与电子捕获衰变的精密测量，寻找亚MeV量级的惰性中微子与新物理现象。文中指出，先进的多体理论与下一代实验（如BeEST和HUNTER）现已使实验室对惰性中微子的限制达到最严格水平，其中BeEST已在100–850 keV范围内确立了最佳约束。

ABSTRACT

This white paper was submitted to the 2022 Fundamental Symmetries, Neutrons, and Neutrinos (FSNN) Town Hall Meeting in preparation for the next NSAC Long Range Plan. We advocate to support current and future theoretical and experimental searches for physics beyond the Standard Model using nuclear $β$ decay.

研究动机与目标

• 推动核β衰变作为探测标准模型之外新物理（BSM）的高灵敏度探针，特别是针对亚MeV量级的惰性中微子。
• 解决对电弱辐射修正与禁戒衰变中核矩阵元进行改进理论计算的需求。
• 支持对低Q值β衰变与电子捕获衰变进行高精度测量的实验计划，以探测轻与重中微子质量。
• 通过改进β谱形函数测量与本底建模，解决反应堆反中微子异常问题。
• 探索稀有衰变模式作为新物理的信号，例如富中子核素中的暗衰变分支。

提出的方法

• 利用电子捕获与β衰变中核反冲及衰变产物的精密测量，重构缺失的中微子四维动量与质量。
• 应用具有可控不确定度的先进多体核理论方法，计算禁戒衰变中的谱形与矩阵元。
• 聚焦于7Be与131Cs等缺中子核素，其三体β衰变被禁戒，从而简化中微子质量的重建。
• 在BeEST与HUNTER等实验中实施高分辨率动量与能量测量，以探测中微子质量与混合。
• 结合实验数据与理论模型，约束eV–MeV量级范围内的惰性中微子混合。
• 利用稀有衰变分支比（如11Be中β衰变至10Be，或6He中子衰变至5He）来搜索暗衰变信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 精密核β衰变与电子捕获衰变测量能否以更高灵敏度探测亚MeV量级的惰性中微子？
• RQ2 多体核理论在多大程度上可降低电弱辐射修正与禁戒衰变中核矩阵元的不确定性，以支持新物理探测？
• RQ3 如11Be或6He中的暗衰变分支等稀有衰变模式，能否为标准模型之外的新物理提供证据？
• RQ4 裂变碎片中精确的β谱形函数测量，对反应堆反中微子通量预测与反应堆异常有何影响？
• RQ5 低Q值衰变实验在100–850 keV范围内对轻中微子质量与惰性中微子混合施加了何种约束？

主要发现

• BeEST实验目前在100–850 keV质量范围内设定了最严格的实验室惰性中微子限制。
• HUNTER与BeEST的预期灵敏度将显著提升对亚MeV量级惰性中微子的约束，超越以往实验限制。
• 缺中子核素如7Be与131Cs因三体β衰变被抑制，可实现清晰的中微子质量测量，简化缺失能量重建。
• 多体方法的理论进展现已使谱形计算的不确定度可控，这对新物理探测的灵敏度至关重要。
• 11Be中通过11B近阈共振发生的(β,p)衰变测量确认了稀有衰变模式，但因10Be产额数据存在矛盾，暗衰变分支的存在尚不明确。
• 对6He中暗中子衰变的上限极低，表明其向未束缚的5He态分支极小。