The nuances of β− decay: Theoretical Computations and their applications for Beyond the Standard Model physics

Abstract

This dissertation encompasses a series of six articles, accompanied by an introductory discourse, centered on the intricacies of beta decays and the utilization of the nuclear shell model in computational analysis. The overarching objective is to elucidate various beta decay methodologies as pathways to unearth novel insights in the realm of physics beyond the standard model. The initial segment of research delves into an in-depth examination of ⁹²Rb betaspectral shapes, scrutinizing the legitimacy of employing approximations for forbidden non-unique decays within the summation method. This analysis is pertinent to the reactor antineutrino anomaly, suggesting potential resolutions or improvements to the spectral shoulder conundrum and bridging the gap between theoretical summation approaches and observed experimental fluxes. Subsequent investigations are geared towards the implementation of computed beta spectra in calibrating background radiation for rare-event experiments, particularly focusing on the Radon decay chain in subterranean settings. An exhaustive analysis of the ^212−214Pb-Bi-Po decay chain has been undertaken, marking significant progress in addressing the challenge of underground background radiation. A notable discovery in this segment is the sensitivity of spectral shapes to the small relativistic nuclear matrix element (sNME), a parameter that poses computational challenges within the confines of the nuclear shell model’s valence space framework. Inspired by this sensitivity, the research extends to study the impact of varying <i>g</i>_A and sNME values on ⁹⁹Tc, an adjacent isotope to potential neutrinoless double beta decay candidates ¹⁰⁰Mo and ⁹⁶Zr. Observations of dependency on the dual solutions of sNME catalyzed further exploration across a spectrum of isotopes linked to the reactor antineutrino anomaly, assessing the predictive accuracy of beta spectral shapes in relation to sNME and weak-axial coupling. The culmination of this work applies the developed methodologies to assist in the quest for determining the (anti)neutrino’s mass, leveraging the nuclear shell model alongside our computational predictions of half-lives. Keywords: beta decay, nuclear shell model, beta spectral shape, forbidden nonunique, weak axial coupling, small nuclear matrix element.

Tämä väitöskirja sisältää kuusi julkaisua ja johdanto-osan, joka keskittyy ytimen beetahajoamisen ominaisuuksien kuvailuun ja ytimen kuorimalliin osana sen yksityiskohtaista laskennallista analyysiä. Työn kantavana teemana on tarkastella erilaisia beetahajoamiseen liittyviä menetelmiä, joiden käyttö mahdollistaa uusien näkökulmien avaamisen ytimen standardimallin ulkopuolisen fysiikan tarkastelulle. Tutkimuksen ensimmäinen osa syventyy ytimen ⁹²Rb beetaspektrien muotojen perusteelliseen tarkasteluun pyrkien vastaamaan kysymykseen tiettyjen likimääräismenetelmien käytön oikeutuksesta tarkasteltaessa kiellettyjä ei-uniikkeja hajoamisia beetaspektrien summausmenetelmän yhteydessä. Tämä analyysi on merkityksellinen reaktoriantineutriinoanomalian kannalta, ehdottaen antineutriinospektrissä esiintyvän "olkapään" arvoitukseen liittyviä mahdollisia ratkaisuja ja paraneltuja menetelmiä näiden ratkaisujen löytämiseksi. Näin pyrkimyksenä on rakentaa siltaa summausmenetelmän tulosten ja mitatun antineutriinovuon välille. Seuraavat tutkimukset suuntautuvat laskettujen beetaspektrien hyväksikäyttöön harvinaisia hajoamisia mittaavien kokeiden taustasäteilyyn liittyvässä kalibroinnissa, keskittyen erityisesti maanalaislaboratorioissa esiintyvän radonin radioaktiiviseen hajoamisketjuun. Tätä silmällä pitäen on suoritettu ^212−214Pb-Bi- Po hajoamisketjun perusteellinen analyysi, mikä merkitsee huomattavaa edistystä maanalaisen taustasäteilyn tuoman haasteen ratkaisemisessa. Tähän liittyen on huomattu, että beetaspektrien muoto voi riippua ns. pienestä relativistisesta ydinmatriisielementistä (sNME), jonka tarkka laskeminen ytimen kuorimallin valenssiavaruuksissa on todella haastavaa. Tämän riippuvuuden innoittamana tutkimusta on laajennettu tarkastelemalla aksiaalikytkentävoimakkuuden <i>g</i>_A ja matriisielementin sNME vaikutusta ytimen ⁹⁹Tc beetaspektriin. Kyseinen ydin on neutriinottomalla kaksoisbeetahajoamisella mahdollisesti purkautuvien ydinten ¹⁰⁰Mo ja ⁹⁶Zr välittömässä läheisyydessä. Havaittu matriisielementtiin sNME liittyvä kaksiselitteisyys johti lisätutkimuksiin läpi reaktoriantineutriinoanomaliaan liittyvien isotooppien kirjon, pyrkimyksenä valottaa beetaspektrien muodon ennustettavuuden tarkkuutta suhteessa sNME:hen ja <i>g</i>_A:han. Eräs työn huipentumana on, että työssä kehitetyt menetelmät auttavat myös (anti)neutriinon massan määrittämisessä hyödyntäen ytimen kuorimallia ja sillä saatuja ennusteita beetasiirtymien puoliintumisajoille. Avainsanat: beetahajoaminen, ytimen kuorimalli, beetaspektrin muoto, kielletty ei-uniikki, heikko aksiaalikytkentä, pieni ydinmatriisielementti.