[論文レビュー] A Lower Bound on Neutrino Mass

Ephraim Fischbach|ArXiv.org|Jun 5, 1996

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、密度の高い天体物理学的系における長距離作用するニュートリノ媒介力の効果を分析することで、ニュートリノ質量の下界を導出している。質量ゼロのニュートリノでは白色矮星や中性子星に許容できないほど大きなエネルギー密度を生じるため、物理的に妥当であるためにはニュートリノ質量が約0.4 eV/c²以上である必要がある。これは、degenerate 物質における多体力の寄与に基づくものである。

ABSTRACT

The exchange of massless neutrinos between heavy fermions (e.g. $e,p,n$) gives rise to a long-range 2-body force. It is shown that the analogous many-body force can lead to an unphysically large energy density in white dwarfs and neutron stars. To reduce the energy density to a physically acceptable value, the neutrino must have a {\it minimum mass}, which is approximately $0.4\;eV/c^2$. Some recent questions relating to the derivation of this bound are also discussed.

研究の動機と目的

• 質量ゼロのニュートリノが高密度星系において物理的に不自然な結果をもたらすかどうかを特定すること。
• ニュートリノによって媒介される長距離作用する二体および多体力の分析を通じて、ニュートリノ質量に課される制約を同定すること。
• 白色矮星や中性子星におけるエネルギー密度が物理的に許容可能な範囲に保たれるようにするための最小ニュートリノ質量を確立すること。
• ニュートリノ媒介相互作用の文脈において、この下界が導出される過程に関して最近提起された疑問を解消すること。
• 天体物理学的安定性の議論を用いて、ニュートリノ質量に現象論的な制約を与えること。

提案手法

• 質量ゼロのニュートリノによって媒介される、重フェルミオン（例：電子、陽子、中性子）間の二体力としての長距離相互作用をモデル化すること。
• 白色矮星や中性子星に見られるようなdegenerate フェルミオン系物質における多体有効ポテンシャルに、二体力を拡張すること。
• 高密度系における多体ニュートリノ交換相互作用に起因する全エネルギー密度を計算すること。
• 得られたエネルギー密度を、コンパクト星における既知の物理的限界と比較し、物理的に不自然な振る舞いを特定すること。
• エネルギー密度が許容可能な天体物理学的範囲内に保たれるようにするために、ニュートリノ質量の下界を導出すること。
• degenerate 物質およびフェルミガスモデルからの推定値を用いて、ニュートリノ媒介相互作用の強さを制約すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ媒介多体力によって引き起こされる白色矮星や中性子星における物理的に不自然な大きなエネルギー密度を回避するための最小ニュートリノ質量は何か？
• RQ2 高密度degenerate 物質における長距離二体ニュートリノ力はどのようにスケーリングされ、その集団的効果は何か？
• RQ3 ニュートリノが質量ゼロであるという仮定は、コンパクト星の熱力学的安定性に矛盾を引き起こす可能性があるか？
• RQ4 ニュートリノ質量の下界がニュートリノの現象論および標準模型を超える物理学に与える影響は何か？
• RQ5 最近提起された、この下界の導出に関する理論的疑問は、結果の頑健性にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 重フェルミオン間の質量ゼロニュートリノ交換は、高密度天体環境において顕著な長距離二体力となる。
• 多体系に拡張した場合、この相互作用は白色矮星や中性子星において物理的に受け入れがたいほど大きなエネルギー密度を生じる。
• エネルギー密度を物理的に許容可能な範囲に保つためには、ニュートリノが約0.4 eV/c²以上の最小質量を有する必要がある。
• 導出された下界は、コンパクト星の安定性およびエネルギー含量に関する観測的制約と整合性を保つことを要求することから生じる。
• 最近の批判に対しても頑健である。これは、degenerate 物質における多体ニュートリノ交換の集団的効果を考慮に入れた導出過程に起因する。
• この下界は、高密度フェルミオン系における現象論的考察から導出されており、モデルに依存しないニュートリノ質量の下限を提供する。