Show simple item record

dc.contributor.authorJokiniemi, Lotta
dc.date.accessioned2020-09-21T12:31:25Z
dc.date.available2020-09-21T12:31:25Z
dc.date.issued2020
dc.identifier.isbn978-951-39-8304-8
dc.identifier.urihttps://jyx.jyu.fi/handle/123456789/71822
dc.description.abstractIn this thesis, it is shown how charge-exchange reactions and nuclear muon capture can be utilised to probe neutrinoless double-beta (0νββ) decay, a beyond-Standard-Model process that, for the time being, has not been observed despite massive experimental efforts. If detected, 0νββ decay would not only prove the existence of physics beyond the Standard Model but also provide precious information on the yet unknown nature and mass-scale of neutrinos. Hence, improving the theoretical description of the related nuclear-structure physics is a crucial aid in planning the future experiments. The 0νββ decay proceeds through virtual states of an intermediate nucleus to the ground or excited states of the decay daughter. The decaying, the intermediate and daughter nuclei form a so-called double-beta-decay triplet. One way to improve the description of the related nuclear structure is finetuning the nuclear-model parameters by exploiting available data on relevant measured processes. To that end, one can study complementary nuclear processes for which experimental data exist or are being or will be measured. In this thesis, it is proposed that one can probe the 0νββ decay by studying the strength distributions of charge-exchange reactions and ordinary muon capture in the double-beta-decay triplets. By studying these nuclear processes one can not only probe the intermediate states of the double-beta decay, but also eventually shed light on the highly debated effective values of the weak couplings in wide excitation-energy and momentum-exchange regions relevant for 0νββ decay. All the computations presented in the thesis were performed in the protonneutron quasiparticle random-phase approximation (pnQRPA) framework. pnQRPA allows accommodating large no-core single-particle bases including all the relevant spin-orbit-partner orbitals, hence providing access to wide excitation-energy regions. Since pnQRPA has shown to be capable of describing the gross features of the distributions of nuclear states, it is an excellent tool for simultaneous consistent description of double beta decay, charge-exchange reactions and muon capture. The thesis consists of five publications and an introductory part. Articles [I, II] cover probing the 0νββ matrix elements by isovector spin-multipole transitions in the key double-beta-decay triplets, and articles [III, IV, V] probing the 0νββ decay in various ways by ordinary muon capture. In the introductory part, the study of this thesis is set in the wider frame of weakinteraction processes, and the theoretical formalism and results of all five publications are twined together.en
dc.description.abstractTässä väitöskirjassa esitetään, kuinka varauksenvaihtoreaktioita ja myonisieppausta voidaan hyödyntää neutriinottoman kaksoisbeetahajoamisen (0νββ), erään hiukkasfysiikan standardimallin ulkopuolisen prosessin, tutkimuksessa. Tähän mennessä 0νββ-hajoamista ei olla onnistuttu havaitsemaan mittavista kokeellisista yrityksistä huolimatta, mutta löydyttyään se paitsi todistaisi standardimallin ulkopuolisen fysiikan olemassaolon, myös tarjoaisi arvokasta tietoa toistaiseksi tuntemattomista neutriinon luonteesta ja massaluokasta. Tämän vuoksi prosessiin liittyvän ydinrakennefysiikan teoreettisen kuvauksen kehittäminen on tulevien kokeiden suunnittelun kannalta elintärkeää. 0νββ -hajoaminen etenee väliytimen virtuaalisten tilojen tytärytimen perustai viritystiloille. Hajoava ydin, väliydin ja tytärydin muodostavat niinsanotun kaksoisbeetahajoamistripletin. Yksi keino kehittää triplettiin liittyvän ydinrakenteen kuvausta on hienosäätää ydinmallin parametreja hyödyntämällä saatavilla olevaa tietoa olennaisista mitatuista prosesseista. Tätä ajatellen voidaan tutkia vastaavanlaisia prosesseja, joista on olemassa kokeellista tietoa tai joita mitataan parhaillaan tai tullaan mittaamaan tulevaisuudessa. Tässä väitöskirjassa esitetään, että 0νββ -hajoamista voidaan ennustaa tutkimalla varauksenvaihtoreaktioiden ja myonisieppauksen voimakkuusjakaumia kaksoisbeetahajoamistripleteissä. Tutkimalla näitä ydinprosesseja pystytään paitsi tutkimaan kaksoisbeetahajoamisen välitiloja, mutta lopulta myös valottamaan kiisteltyjä heikon vuorovaikutuksen kytkentävakioiden efektiivisiä arvoja laajoissa viritysenergia- ja liikemääränvaihtoalueissa, jotka ovat olennaisia 0νββ -hajoamiselle. Kaikki tässä väitöskirjassa esitetyt laskut on tehty pnQRPA (engl. protonneutron quasiparticle random-phase approximation) -mallin avulla. Sen ansiosta laskuissa voidaan käyttää suuria yksihiukkaskantoja, joissa kaikki orbitaalit ovat aktiivisia ja jotka sisältävät kaikki tarpeelliset spin-rata -pariorbitaalit, mikä mahdollistaa laskujen ulottamisen laajoille viritysenergia-alueille. Koska pnQRPA on osoittautunut kykeneväksi kuvaamaan ytimien tilojen jakaumien yleisiä ominaisuuksia, on se erinomainen työkalu kaksoisbeetahajoamisen, varauksenvaihtoreaktioiden ja myonisieppauksen yhtäaikaiseen yhteneväiseen kuvaamiseen. Väitöskirja koostuu viidestä artikkelista sekä yhteenvedosta. Artikkeleissa [I, II] käsitellään 0νββ -hajoamisen matriisielementtien tutkimista isovektorispin- multipoli -siirtymien avulla tärkeimmissä kaksoisbeetahajoamistripleteissä, ja artikkeleissa [III, IV, V] käsitellään 0νββ -hajoamisen ennustamista monin eri tavoin myonisieppauksen avulla. Yhteenveto-osiossa väitöskirjassa tehty tutkimus kytketään laajempaan heikon vuorovaikutuksen prosessien tutkimusalaan, sekä kaikkien viiden artikkelin laskujen teoreettinen muotoilu ja tulokset liitetään yhteen.fi
dc.relation.ispartofseriesJYU dissertations
dc.relation.haspart<b>Artikkeli I:</b> Jokiniemi, L., & Suhonen, J. (2017). Isovector spin-multipole strength distributions in double-β-decay triplets. <i>Physical Review C, 96 (3), 034308.</i> <a href="http://doi.org/10.1103/PhysRevC.96.034308"target="_blank"> DOI: 10.1103/PhysRevC.96.034308 </a>
dc.relation.haspart<b>Artikkeli II:</b> Jokiniemi, L., Ejiri, H., Frekers, D., & Suhonen, J. (2018). Neutrinoless ββ nuclear matrix elements using isovector spin-dipole Jπ = 2− data. <i>Physical Review C, 98 (2), 024608. </i> <a href="http://doi.org/10.1103/PhysRevC.98.024608"target="_blank"> DOI: 10.1103/PhysRevC.98.024608</a>
dc.relation.haspart<b>Artikkeli III:</b> Jokiniemi, Lotta; Suhonen, Jouni; Ejiri, H.; Hashim, I. H. (2019). Pinning down the strength function for ordinary muon capture on 100Mo. <i>Physics Letters B, 794 (0), 143-147. </i> <a href="http://doi.org/10.1016/j.physletb.2019.05.037"target="_blank"> DOI: 10.1016/j.physletb.2019.05.037</a>
dc.relation.haspart<b>Artikkeli IV:</b> L. Jokiniemi and J. Suhonen (2019). Muon-capture strength functions in intermediate nuclei of 0νββ decays. <i>Physical Review C100, 014619.</i> <a href="https://doi.org/10.1103/PhysRevC.100.014619"target="_blank"> DOI: 10.1103/PhysRevC.100.014619</a>
dc.relation.haspart<b>Artikkeli V:</b> L. Jokiniemi and J. Suhonen (2020) Comparative analysis of muon capture and 0νββ decay matrix elements. <i>Physical Review C102, 024303.</i> <a href="https://doi.org/10.1103/PhysRevC.102.024303"target="_blank"> DOI: 10.1103/PhysRevC.102.024303</a>
dc.subjecthiukkasfysiikka
dc.subjectydinfysiikka
dc.subjecthiukkasfysiikan standardimalli
dc.subjectneutriinot
dc.titleProbing Neutrinoless Double-Beta Decay by Charge-Exchange Reactions and Muon Capture
dc.typeDiss.
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-951-39-8304-8
dc.date.digitised


Files in this item

Thumbnail

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record