[論文レビュー] Apparent CPT Violation in Neutrino Oscillation from Dark Non-Standard Interactions

Shao-Feng Ge, Hitoshi Murayama|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2019

Neutrino Physics Research参考文献 34被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、ニュートリノ振動における見かけのCPT対称性の破れが、根本的なCPT対称性の破れによるものではなく、軽いスカラーまたはベクトルのダークマター（DM）とのダーク非標準的相互作用（NSI）に起因することを提案する。DM媒体はフォワード散乱を通じてニュートリノおよび反ニュートリノの質量二乗の差にエネルギー依存性の補正を引き起こし、これによりラグランジアンの根本的構造を変更せずに、振動パターンに観測可能なCPT対称性の破れ効果が現れる。

ABSTRACT

A natural realization of CPT violation in neutrino oscillation can arise due to the coupling to a light scalar or vector dark matter (DM). The dark non-standard interaction (NSI) is associated with the $γ_0$ matrix in neutrino's effective propagator and hence corrects the neutrino Hamiltonian as dark matter potential, in the same way as the ordinary matter effect. The effect is, however, inversely proportional to the neutrino energy and hence appears as a correction to the neutrino mass squared. Due to a sign difference in the corrections for neutrino and anti-neutrino modes, the neutrino oscillation receives CPT violation from the dark NSI. Seeing difference in the neutrino and anti-neutrino mass squared differences not necessarily leads to the conclusion of CPT symmetry breaking in the fundamental Lagrangian but can indicate light DM and its coupling with neutrinos.

研究の動機と目的

• ラグランジアンにおける根本的CPT対称性の破れを仮定せずに、ニュートリノ振動における見かけのCPT対称性の破れを説明すること。
• 軽いダークマター（スカラーまたはベクトル）が、フォワード散乱を通じてニュートリノ質量二乗の差に有効なCPT対称性の破れ補正をどのように引き起こすかを調査すること。
• 観測されたニュートリノと反ニュートリノの質量二乗の差の分裂が、ダークNSIに起因する環境効果によって生じることを示すこと。
• ローレンツ不変性と局所性を保ちつつ、基礎となるQFTフレームワークで整合するCPT対称性の破れの物性的メカニズムを提供すること。
• 将来のニュートリノ振動実験が、このような効果をニュートリノと軽いダークマターの結合のシグネチャとして検出できることを示唆すること。

提案手法

• ラグランジアンにおける軽いスカラーまたはベクトルのダークマターとニュートリノの相互作用を、ヤコビ型またはゲージ型結合でモデル化すること。
• 量子場理論的手法を用いて、ニュートリノがダークマター媒体に対してフォワード散乱する振幅を計算すること。
• ダークマターの自己エネルギー挿入を含めることで、ニュートリノの二点関数（プロパゲーター）に対する有効補正を導出すること。
• ニュートリノハミルトニアンに対する有効ポテンシャル補正を抽出し、これによりニュートリノ質量二乗項が変化することを示すこと。
• ダークマターの非相対論的近似と$1/E_\nu$の抑制を用いて、$\bar{\nu}$および$\nu$特有の補正を分離すること。
• 質量二乗の差に対する補正が$\rho_\chi / m^2_\phi$または$\rho_\chi / m^2_V$に比例し、ニュートリノと反ニュートリノで符号が逆になることを示すこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 見かけのCPT対称性の破れが、根本的CPT対称性の破れを仮定せずに、ダーク非標準的相互作用から生じ得るか？
• RQ2 軽いスカラーまたはベクトルのダークマター粒子が、フォワード散乱を通じてどのようにニュートリノ振動ハミルトニアンを変化させるか？
• RQ3 ニュートリノ質量二乗項における誘導されるCPT対称性の破れ補正のエネルギー依存性は何か？
• RQ4 ニュートリノと反ニュートリノの$\Delta m^2$の観測された差は、根本的CPT対称性の破れではなく、環境的ダークNSIによって説明可能か？
• RQ5 DUNEのような将来の長基盤ニュートリノ実験において、このようなダークNSIの物性的シグネチャは何か？

主な発見

• ダークNSIによるニュートリノ質量二乗の差への有効補正は、$\rho_\chi / m^2_\phi$または$\rho_\chi / m^2_V$に比例し、ニュートリノと反ニュートリノで符号が逆になる。
• 補正は$1/E_\nu$に比例し、質量二乗項のシフトを模倣するため、振動データにおいてCPT対称性の破れ効果として現れる。
• スカラーのダークマターの場合、補正は$\delta M^2_{\alpha\beta} = \mp \frac{2\rho_\chi}{m^2_\phi} \sum_j y_{\alpha j} y^*_{j\beta}$で与えられ、$\nu$と$\bar{\nu}$モードで符号の違いがある。
• ベクトルのダークマターの場合、同じ関数的形をとる：$\delta M^2_{\alpha\beta} = \mp 2 \sum_j g_{\alpha j} g^*_{j\beta} \frac{\rho_\chi}{m^2_V}$、これによりメカニズムの普遍性が確認される。
• このメカニズムは、根本的なレベルでローレンツ不変性と局所性を保ち、したがってCPT対称性の破れは環境的であり、動的なものではない。
• 将来の実験、たとえばDUNEは、$|\Delta m^2_{31} - \Delta\bar{m}^2_{31}| \lesssim 8.1 \times 10^{-5}\ \text{eV}^2$のレベルでのCPT対称性の破れシグナルをプローブ可能であり、軽いダークマターの結合に対する制約を設定できる。