[論文レビュー] A study of the scenario with nearly degenerate Majorana neutrinos

Francesco Vissani|ArXiv.org|Aug 28, 1997

Neutrino Physics Research被引用数 55

ひとこと要約

本稿は、宇宙論的ダークマター制約および太陽・大気中性子ビームの欠落から生じるニュートリノ振動データに裏付けられた、3つの標準模型ニュートリノがほぼdegenerateなメジャノンフェルミオンであり、質量が約1 eVである状況を調査する。直接的質量探索、ゼロニュートリノ二重ベータ崩壊、および原子炉実験からの統合的制約が、ニュートリノ混合行列と質量構造をきびしく制限し、この状況が近い将来の実験で検証可能であることを示している。

ABSTRACT

Motivated by cosmological considerations, and by the atmospheric and solar neutrino flux deficits, we consider the scenario in which the three Standard Model neutrinos are endowed with a nearly equal Majorana mass in the eV range. Combined constraints coming from (1) direct search for electron neutrino mass, (2) absence of neutrinoless double beta decay, and (3) unsuppressed electron neutrino flux in present reactor experiments, imply a quite well specified pattern of neutrino masses and mixing angles. We discuss the experimental tests of the model and comment on the features of this scenario.

研究の動機と目的

• eVスケールの質量を持つほぼdegenerateなメジャノンニュートリノの素粒子的意味を、宇宙論的ダークマター制約に整合する形で探求すること。
• 太陽および大気中性子ビームの流量欠落を、3つのニュートリノ質量がほぼ等しい状況におけるニュートリノ振動によって説明すること。
• ゼロニュートリノ二重ベータ崩壊と原子炉実験からの信号欠如から、ニュートリノ混合行列に及ぼされる制約を導出すること。
• 今後数年以内にこの状況を確認または除外できる主要な実験的検証を特定すること。
• 今後の電子ニュートリノ消失実験を用いて、太陽ニュートリノ問題の真空振動解とMSW解を区別すること。

提案手法

• 電荷レプトン質量が対角となる基底におけるニュートリノ質量ラグランジアンを用い、対称なメジャノン質量行列 $\mathcal{M}$ を導入する。
• ユニタリ混合行列 $U$ を用いて、フレーバー固有状態 $\nu_\ell$ を質量固有状態 $\nu_i$ に変換する。関係式は $\mathcal{M} = U^* m U^\dagger$ で与えられる。
• 質量スペクトルがほぼdegenerateであり、$m_{\nu_i} \approx m_0$ で、微小な分割 $\Delta m^2_{\odot} \approx 10^{-10}\ \text{eV}^2$, $\Delta m^2_{\text{atm}} \approx 10^{-2}\ \text{eV}^2$ を仮定する。
• 直接的ニュートリノ質量探索（例：トリチウムベータ崩壊）、ゼロニュートリノ二重ベータ崩壊（$0\nu\beta\beta$）の信号欠如、および原子炉ニュートリノ実験からの制約を課す。
• 特に $P_{ee}$ の振動確率を真空状態で分析し、エネルギースペクトル歪みと季節変動を評価する。
• 条件 $|U_{e1}|^2 = |U_{e2}|^2$ を用いて、$P_{ee}$ の抑制因子を導出し、スペクトル歪みの低減を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $m_0 \sim 1\ \text{eV}$ のほぼdegenerateなメジャノンニュートリノ状況が、宇宙論的ダークマター制約と観測された太陽・大気ニュートリノ欠落を同時に説明できるか？
• RQ2 ゼロニュートリノ二重ベータ崩壊実験からの信号欠如が、ニュートリノ混合行列要素に及ぼす制約は何か？
• RQ3 原子炉ニュートリノ実験からの信号欠如が、この状況における混合行列の構造に及ぼす制約は何か？
• RQ4 今後の電子ニュートリノ消失実験を用いて、太陽ニュートリノ問題の真空振動解とMSW解を区別できるか？
• RQ5 ほぼdegenerateな質量パターンが、太陽ニュートリノエネルギースペクトルの歪みをどの程度抑制するか？

主な発見

• $m_0 \approx 1\ \text{eV}$ のほぼdegenerateなメジャノンニュートリノ状況は、ホット＋コールドダークマターモデルからの宇宙論的制約と整合的である。
• 共通の質量スケール $m_0$ は、直接的ニュートリノ質量探索からの現在の上限のおよそ2倍小さいため、近い将来の実験で検証可能である。
• ゼロニュートリノ二重ベータ崩壊実験からの信号欠如は、有効メジャノン質量におけるキャンセルを示し、混合行列要素の組み合わせを制限する。
• 原子炉実験からの信号欠如は、$|U_{e1}|^2 \approx |U_{e2}|^2$ の混合行列構造を好む。これにより、電子ニュートリノ生存確率における抑制因子が最大0.64まで低下する。
• 真空振動解は依然として太陽ニュートリノ欠落を説明可能であるが、抑制因子のためスペクトル歪みが低減される。
• 今後の電子ニュートリノ消失実験により、この状況をMSW解から区別できる。MSW解は $|U_{e3}|^2$ の大きな値を好む。