[论文解读] Uncertainties in neutrinoless $\beta \beta $ decay transition matrix elements within mechanisms involving light Majorana neutrinos, classical Majorons and sterile neutrinos

P. K. Rath, R. Chandra+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2013

Neutrino Physics Research被引用 5

一句话总结

本研究利用PHFB模型，量化了多种同素（Zr、Mo、Ru、Pd、Te和Nd）中无中微子双贝塔衰变的核矩阵元（NMEs）的不确定性，评估了涉及轻Majorana中微子、经典Majoron和惰性中微子的机制。对于Majorana和经典Majoron机制，最大不确定性约为15%；而惰性中微子情景下的不确定性范围为4–20%（无Jastrow时）至9–36%（有Jastrow时），具体取决于惰性中微子质量和参数化方式。

ABSTRACT

In the PHFB model, uncertainties in the nuclear transition matrix elements for the neutrinoless double-$\beta decay of $ ^{94,96}$Zr, $^{98,100}$Mo, $^{104}$Ru, $^{110}$Pd, $^{128,130}$Te and $^{150}$Nd isotopes within mechanisms involving light Majorana neutrinos, classical Majorons and sterile neutrinos are statistically estimated by considering sets of sixteen (twenty-four) matrix elements calculated with four different parametrization of the pairing plus multipolar type of effective two-body interaction, two sets of form factors and two (three) different parameterizations of Jastrow type of short range correlations. In the mechanisms involving the light Majorana neutrinos and classical Majorons, the maximum uncertainty is about 15% and in the scenario of sterile neutrinos, it varies in between approximately 4 (9)%--20 (36)% without(with) Jastrow short range correlations with Miller-Spencer parametrization, depending on the considered mass of the sterile neutrinos.

研究动机与目标

• 评估理论不确定性对Zr、Mo、Ru、Pd、Te和Nd等同素中无中微子双贝塔衰变（0νββ衰变）核矩阵元（NMEs）的影响。
• 评估NMEs对有效相互作用、形式因子和短程相关参数化变化的敏感性。
• 量化三种不同机制下NME的不确定性：轻Majorana中微子、经典Majoron和惰性中微子。
• 确定Jastrow型短程相关性的引入如何影响不确定性范围，特别是在惰性中微子情景下。
• 通过一组全面的模型参数，提供多个同素中NME不确定性水平的统计估计。

提出的方法

• 采用准粒子声子-声子耦合（PHFB）模型，计算12种同素中0νββ衰变的核矩阵元。
• 使用四种不同形式的配对加多极有效两体相互作用参数化，以评估对相互作用形式的敏感性。
• 应用两组形式因子，以及两（或三）种Jastrow型短程相关性的参数化，以模拟核子-核子相关性。
• 通过组合相互作用参数、形式因子和相关性模型的变异，进行不确定性统计估计。
• 聚焦于三种衰变机制：轻Majorana中微子、经典Majoron和惰性中微子，对每种机制分别进行不确定性评估。
• 基于所有参数组合下获得的最大和最小NME值，报告不确定性范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑轻Majorana中微子和经典Majoron时，0νββ衰变的核矩阵元最大不确定性是多少？
• RQ2 在0νββ衰变机制中，惰性中微子质量如何影响NME不确定性的变化？
• RQ3 Jastrow型短程相关性在多大程度上影响了惰性中微子介导的0νββ衰变中NME的不确定性范围？
• RQ4 有效相互作用和形式因子的不同参数化方式如何影响不同同素中NME值的分布范围？
• RQ5 变化短程相关性模型对0νββ衰变NME整体不确定性预算的相对影响如何？

主要发现

• 对于涉及轻Majorana中微子和经典Majoron的机制，核矩阵元的最大不确定性约为15%。
• 在惰性中微子情景下，无Jastrow短程相关性时，不确定性范围为约4%至20%，具体取决于惰性中微子质量。
• 在引入Jastrow短程相关性后，惰性中微子介导的0νββ衰变的不确定性范围扩大至9%至36%，同样取决于惰性中微子质量。
• Jastrow相关性参数化中的Miller-Spencer形式导致惰性中微子情况下更高的不确定性上限，相较于其他参数化形式。
• 引入多种有效相互作用和形式因子的参数化形式，显著影响了NME估计值的分布范围，尤其在惰性中微子通道中更为明显。
• 本研究表明，NME的不确定性并非均匀分布，且对模型参数的选择极为敏感，特别是在惰性中微子机制中。