[論文レビュー] A study on quantum decoherence phenomena with three generations of neutrinos

A. M. Gago, Elton Márcio da Silva Santos+2 more|ArXiv.org|Aug 16, 2002

Biofield Effects and Biophysics参考文献 3被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、量子ダイナミカルセミグループのアプローチを用いて、三ニュートリノ系への量子デコherence形式の拡張を行い、質量に起因する振動と散逸的デコherence効果を含む生存確率および遷移確率を導出する。二世代の純粋デコherence解が大気ニュートリノに対して成立するか否かを検証した結果、特にCHOOZおよびSuper-Kamiokandeのデータと強い不一致を示し、99%信頼水準で最良適合デコherenceパラメータが除外されることが判明した。

ABSTRACT

Using the open quantum system approach applied to the neutrino system, we derive three generations neutrino probability formulae considering the oscillation induced by mass plus quantum decoherence contributions. The introduction of these dissipative effects is done through the quantum dynamical semigroup formalism. In addition to the theoretical interest of the approach, at least from the completeness point of view, this extension of the formalism to the three flavors, provide us with a direct application: we can analyze qualitatively the consistency of the two generation pure decoherence solution to the atmospheric neutrino problem, accommodated within this enlarged scheme, with the mean tendencies observed for some of the current neutrino experimental data. This study was performed based on different choices of the $3 imes 3$ mixing matrix selected in order to adjust the $P_{ν_μ o ν_μ}$ to the same form it has for the decoherence solution in two generations. Our qualitative tests for decoherence with three neutrinos show a clear incompatibility between neutrino data and the theoretical expectations.

研究の動機と目的

• 二世代から三ニュートリノ世代への、オープン量子系アプローチ、特に量子デコherenceを含む形式の拡張を目的とする。
• 三ニュートリノフレームワーク内での大気ニュートリノ異常を説明する二世代純粋デコherence解の妥当性を評価すること。
• 三フレーバー形式に埋め込んだ場合に、デコherence効果が現在のニュートリノデータを一貫して説明できるかをテストすること。
• セミグループダイナミクスを用いて、相互作用に依存しない、現象論的に堅牢なニュートリノデコherence形式を構築すること。

提案手法

• ニュートリノ-媒体相互作用に関する仮定を避けるために、デコherence下でのニュートリノ進化をモデル化する目的で、量子ダイナミカルセミグループ形式を適用する。
• 対角的散乱行列を持つ三世代系におけるニュートリノ生存確率および遷移確率の解析的表現を導出する。
• 二世代系の結果に基づく簡略化を導入し、デコherenceパラメータが $\gamma^* \propto 1/E_\nu$ のようにスケーリングすると仮定する。
• CHOOZデータを用いて、三ニュートリノフレームワーク内でのデコherenceパラメータ $\gamma^*_3$ を制約する統計的解析を実施する。
• 二つのシナリオを検討する：(1) 純粋デコherence (PD) のみ、(2) デコherenceと標準的な質量に起因する振動を併せ持つハイブリッドモデル。
• $3\times3$混合行列を用いて、特に $\nu_e \to \nu_\mu$ および $\nu_e \to \nu_\tau$ セクターの異なる混合パターンを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二世代の純粋デコherence解が、大気ニュートリノに対して三ニュートリノフレームワークに一貫して埋め込めるか？
• RQ2 三世代を含めた場合、現在の実験的データと比較した際に、二世代デコherence解は無効化されるか？
• RQ3 CHOOZデータは、純粋デコherenceを仮定する三ニュートリノモデルにおけるデコherenceパラメータ $\gamma^*_3$ にどのような制約を課すか？
• RQ4 純粋デコherence状態において、$P_{\nu_e\to\nu_e}$ および $P_{\nu_\mu\to\nu_\mu}$ の予測は、SKおよびK2Kデータとどのように一致するか？
• RQ5 太陽および大気ニュートリノデータと両立可能な、$\nu_e \to \nu_\tau$ セクターにおけるデコherenceの有効なパラメータ空間は存在するか？

主な発見

• 太陽ニュートリノのLMA解と組み合わせた場合、大気ニュートリノのデコherenceパラメータの最良適合値 $\gamma^*_3 = 1.2 \times 10^{-21}$ GeV$^2$ は、CHOOZデータにより99%信頼水準で除外される。
• $\cos^2\theta \gtrsim 0.5$ の場合、$\gamma^*_3 \lesssim 7.0 \times 10^{-22}$ GeV$^2$ の値は99%信頼水準で除外され、二世代デコherence解との強い不一致を示す。
• 純粋デコherence (PD) シナリオでは $P_{\nu_e\to\nu_e} = P_{\nu_\mu\to\nu_\mu}$ となるが、これはSKおよびK2Kデータと矛盾し、このモデルは排除される。
• デコherenceと $\nu_e \to \nu_\mu$ 混合を併せ持つハイブリッドモデルでも、同様の退化 $P_{\nu_e\to\nu_e} = P_{\nu_\mu\to\nu_\mu}$ が残り、実験的観測と不一致を示す。
• デコherenceと $\nu_e \to \nu_\tau$ 混合を併せ持つハイブリッドモデルでも、データとの強い緊張が生じ、LMA解と整合する $\cos^2\theta$ 値に対して $\gamma^*_3 > 3.0 \times 10^{-22}$ GeV$^2$ は99%信頼水準で除外される。
• 純粋およびハイブリッドデコherenceモデルが強く否定されても、導出された形式は、将来の三ニュートリノ解析におけるデコherenceパラメータの境界を設定する上で依然として有用である。