[論文レビュー] Confronting the short-baseline oscillation anomalies with a single sterile neutrino and non-standard matter effects

G. Karagiorgi, M.H. Shaevitz+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2012

Neutrino Physics Research被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、標準的でない物質効果（Lに依存しない有効ポテンシャル $ A_s $ でパラメータ化）を伴う単一の不活性ニュートリノモデルを提案し、ミニブーネ（MiniBooNE）の低エネルギー過剰、LSNDの反ニュートリノ異常、およびミニブーネのニュートリノデータを同時に説明することを目的としている。最良適合モデルでは $ \Delta m^2 = 0.47 \, \text{eV}^2 $、$ \sin^2 2\theta_{\mu e} = 0.010 $、$ A_s = 2.0 \times 10^{-10} \, \text{eV} $ を得ており、標準的（3+1）不活性ニュートリノモデルと比較して、データセット間の整合性が著しく向上している。

ABSTRACT

We examine the MiniBooNE neutrino, MiniBooNE antineutrino and LSND antineutrino data sets in a two-neutrino $\stackrel{ iny{(-)}}ν_μ ightarrow\stackrel{ iny{(-)}}ν_e$ oscillation approximation subject to non-standard matter effects. We assume those effects can be parametrized by an $L$-independent effective potential, $V_s=\pm A_s$, experienced only by an intermediate, non-weakly-interacting (sterile) neutrino state which we assume participates in the oscillation, where $+/-$ corresponds to neutrino/antineutrino propagation. We discuss the mathematical framework in which such oscillations arise in detail, and derive the relevant oscillation probability as a function of the vacuum oscillation parameters $Δm^2$ and $\sin^22θ_{μe}$, and the matter effect parameter $A_s$. We are able to successfully fit all three data sets, including the MiniBooNE low energy excess, with the following best-fit model parameters: $Δm^2=0.47$ eV$^2$, $\sin^22θ_{μe}=0.010$, and $A_s=2.0 imes10^{-10}$ eV. The $χ^2$-probability for the best fit corresponds to 21.6%, to be compared to 6.8% for a fit where $A_s$ has been set to zero, corresponding to a (3+1) sterile neutrino oscillation model. We find that the compatibility between the three data sets corresponds to 17.4%, to be compared to 2.3% for $A_s=0$. Finally, given the fit results, we examine consequences for reactor, solar, and atmospheric oscillations. For this paper, the presented model is empirically driven, but the results obtained can be directly used to investigate various phenomenological interpretations such as non-standard matter effects.

研究の動機と目的

• ミニブーネおよびLSND実験による継続的な短基準長ニュートリノ振動異常を解消すること。
• 標準的でない物質効果（特にLに依存しない有効ポテンシャル $ A_s $）が、ニュートリノと反ニュートリノのデータセット間の矛盾をどのように是正できるかを検証すること。
• 単一の不活性ニュートリノモデルが、原子炉、大気圏、長基準長振動データと整合するかを評価すること。
• 提案されたモデルのもとで、MINOSの反ニュートリノデータセットにおける効果の観測可能性を評価すること。

提案手法

• モデルは、不活性ニュートリノ状態の伝播中に作用する標準的でない物質ポテンシャル $ V_s = \pm A_s $ を導入することで、(3+1)不活性ニュートリノフレームワークを拡張する。
• 振動確率は、真空混合パラメータ $ \Delta m^2 $ および $ \sin^2 2\theta_{\mu e} $、物質効果パラメータ $ A_s $ を含む二ニュートリノ $ \nu_\mu \to \nu_e $ 近似で導出される。
• 有効な質量二乗差 $ \Delta m^2_M $ は $ A_s $ によって修正され、エネルギーに依存する振る舞いを示す。特に反ニュートリノでは $ \Delta m^2_M $ が負になり、$ E_0 \approx 1180 \, \text{MeV} $ を超えてエネルギーが増加するにつれて $ |\Delta m^2_M| $ が増加する。
• ミニブーネニュートリノ、ミニブーネ反ニュートリノ、LSND反ニュートリノデータセットに対してフィットを行い、$ \chi^2 $-確率を用いて適合度を評価する。
• モデルの予測を、原子炉、太陽、大気圏振動データと比較して整合性をテストする。
• 最良適合パラメータを用いて、MINOS反ニュートリノ消失および出現確率を評価し、検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的でない物質効果を伴う単一の不活性ニュートリノが、ミニブーネの低エネルギー過剰とLSNDの反ニュートリノ異常を同時に説明できるか。
• RQ2 非標準的物質ポテンシャル $ A_s $ の導入により、標準的（3+1）モデルと比較してミニブーネとLSNDのデータセット間の整合性はどの程度向上するか。
• RQ3 最良適合モデルが、最近の短基準長異常を踏まえて、長基準長および原子炉ニュートリノ実験にどのような意味を持つのか。
• RQ4 MINOS反ニュートリノデータセットが、モデルの予測効果をどの程度制約または検出できるか。

主な発見

• 最良適合モデルのパラメータは $ \Delta m^2 = 0.47 \, \text{eV}^2 $、$ \sin^2 2\theta_{\mu e} = 0.010 $、$ A_s = 2.0 \times 10^{-10} \, \text{eV} $ であり、すべての3つのデータセット（ミニブーネニュートリノ、ミニブーネ反ニュートリノ、LSND反ニュートリノ）に良好に適合する。
• 最良適合の $ \chi^2 $-確率は21.6%であり、$ A_s = 0 $ の場合の6.8%と比較して顕著に高い。これは適合度の著しい向上を示している。
• 3つのデータセット間の整合性は、$ A_s = 0 $ の場合の2.3%から、非標準的物質効果モデルでは17.4%に向上し、実験間の緊張が軽減されていることを示唆している。
• モデルは、原子炉長基準長、大気圏、加速器長基準長ニュートリノ振動データと整合しており、最近の短基準長原子炉異常を妥当に扱える。
• モデルは、特に $ \sim 1200 \, \text{MeV} $ 範囲でエネルギーに依存する急速な振動が生じるため、MINOS反ニュートリノデータセットに観測可能な効果を予測している。このエネルギー領域では $ |\Delta m^2_M| $ が大気圏の $ \Delta m^2 $ に近づく。
• 反ニュートリノの有効な $ \sin^2 2\theta_{\mu\mu}^M $ は、1200 MeV付近でほぼ最大値に達し、十分な統計が得られる場合、遠方検出器と近方検出器の比較において感度が高まる可能性がある。