[論文レビュー] BEAMING NEUTRINO AND ANTINEUTRINOS ACROSS THE EARTH TO FOCUS MUON-TAU FLAVOR MIXING AND TO DISENTANGLE CPT VIOLATION PUZZLE

Daniele Fargion, P. Desiati+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2010

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、南極のDeepCoreに地球を通過する長基準幅ニュートリノ・反ニュートリノビーム実験を提案し、ミューオンからタウへのフレーバー遷移を通じてCPT破れを検証することを目的としている。CPTが破れている場合、35 GeVを超えるエネルギーで反ニュートリノの消失率が14%低下すると予測され、これは1年間で3.5σの効果に相当し、標準模型を超える新しい物理の感受性が高い探査手段を提供する。

ABSTRACT

A new result from the (MINOS Collaboration 2010) seems to hint at a different anti-neutrino mass splitting and different mixing angle with respect to the neutrino. This result has deep consequences because it could indicate CPT theorem violation and/or new anti-neutrino interaction physics (Shinji et al. 2010). We have considered the effect that this novel (i.e. CPT-violated) neutrino oscillation should have in the atmospheric neutrino flux in DeepCore. Above E� > 35 GeV a fraction of ¯µ ! µ + would be reduced almost 14% with respect to the standard CPT-conserved case, equivalent to a nearly 3.5� effect for one year of data collected by DeepCore. In order to significantly increase the discovery potential, we propose a future long baseline experiment with a beam of �µ and ¯ �µ through the Earth in the direction of DeepCore at the South Pole, to test their disappearance or (for CPT violation) the ¯ �µ appearance at the longest distances, compatible with present sources and tuned to DeepCore minimal detectable energies. Such an experiment will measure �� and ¯ �� appearance as ��

研究の動機と目的

• 地球を通過する長基準幅のミューオンニュートリノおよび反ニュートリノビームを用いて、ニュートリノ振動におけるCPT破れを検証すること。
• 最近のMINOSの結果が示唆するニュートリノと反ニュートリノの質量差と混合角の違いの意味を調査すること。
• DeepCore検出器に、その最小検出可能エネルギーに合わせて調整されたビームを用いることで、新物理の発見可能性を高めること。
• ニュートリノと反ニュートリノの消失率を測定するとともに、特にCPT破れの兆候としての反ニュートリノの出現（¯μ → μ）を測定すること。
• 正確な長基準幅測定により、CPT破れの振動と新しい反ニュートリノ相互作用物理を区別すること。

提案手法

• 南極のDeepCore検出器を標的とする、地球を通過するミューオンニュートリノおよび反ニュートリノビームを提案する。
• 現在の加速器源と整合する基準幅距離を用い、DeepCoreの最小検出可能エネルギー閾値に最適化する。
• 地球を通過した後のミューオンニュートリノおよび反ニュートリノの予想フラックスを分析し、フレーバー遷移に注目する。
• CPT破れのシナリオと標準的なCPT保存のケースを比較し、¯μ → μ出現率の予想される低下を計算する。
• CPT破れ信号の統計的有意性を推定し、反ニュートリノ消失率が14%低下する場合、1年間のデータ収集で3.5σの効果が得られると判明した。
• 予想されるCPT破れ信号を標準模型の予測と比較し、発見可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球を通過する長基準幅のミューオンニュートリノおよび反ニュートリノビームは、強化された¯μ → μ出現を通じてCPT破れを明らかにできるか？
• RQ2 35 GeVを超えるエネルギー帯で、DeepCoreがCPT破れニュートリノ振動に対してどの程度の感度を持つと予想されるか？
• RQ3 反ニュートリノ消失率の予想される低下（14%）は、標準的なCPT保存ケースと比較して統計的有意性の観点でどの程度か？
• RQ4 この実験は、CPT破れと新しい反ニュートリノ相互作用物理を区別できるか？
• RQ5 どの基準幅およびエネルギー設定が、長基準幅ニュートリノ実験におけるCPT破れの発見可能性を最大にするか？

主な発見

• CPT破れのシナリオでは、35 GeVを超えるエネルギー帯で反ニュートリノの消失率（¯μ → μ）が、標準的なCPT保存ケースと比較して14%低下すると予測される。
• この14%の低下は、DeepCoreで1年間のデータ収集においてほぼ3.5σの効果に相当し、非常に感受性の高い探査手段である。
• 提案された実験は、DeepCoreの最小検出可能エネルギーに最適化されており、長基準幅CPT破れ効果に対する感受性を最大限に高めている。
• ニュートリノと反ニュートリノの消失率および出現率を測定することで、CPT破れと新しい反ニュートリノ相互作用物理を区別する方法が確立されている。
• この実験は、MINOS（2010年）が報告した異常を検証するのを目的としており、ニュートリノと反ニュートリノの質量差と混合角が異なる可能性を検証する。
• 予想される信号は強く、既存の加速器源で測定可能であり、基本対称性を検証するための現実的で次なるステップである。