[論文レビュー] Constraints on neutrino mixing angle theta_13 and Supernova neutrino fluxes from the LSD neutrino signal from SN1987A

Oleg Lychkovskiy|ArXiv.org|Apr 12, 2006

Neutrino Physics Research参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、SN1987AのLSDニュートリノ検出器の信号を用いて、ニュートリノ混合角 𝜃₁₃ および初期の超新星ニュートリノフラックスを制限する。LSDの信号が2段階のコアコラプスの第一段階からの電子ニュートリノに起因すると仮定し、LSDの時刻におけるKIIおよびIMBでの信号の不在と組み合わせることで、正常なニュートリノ質量階層では 𝜃₁₃ > 3×10⁻² が除外されることを示している。これは特定のコラプスモデルに依存しない。

ABSTRACT

Detection of 5 events by the Liquid Scintillation Detector (LSD) on February, 23, 1987 was recently interpreted as a detection of the electron neutrino flux from the first stage of the two-stage Supernova collapse. We show that, if neutrino mass hierarchy is normal, such interpretation excludes values of neutrino mixing angle θ_{13} larger than 3\cdot 10^{-2}, independently of the particular Supernova collapse model. Also constraints on the original fluxes of neutrinos and antineutrinos of different flavours are obtained.

研究の動機と目的

• LSD検出器の信号を用いて、SN1987Aからのニュートリノ混合角 𝜃₁₃ および初期のニュートリノフラックスを制限すること。
• LSDが検出したにもかかわらず、KIIおよびIMBがその時点で信号を検出しなかったという謎を解明すること。
• 異なる質量階層の下で、ニュートリノ振動効果を考慮した2段階の超新星コラプスモデルの整合性をテストすること。
• LSDの信号が電子ニュートリノに起因すると仮定した場合の、モデルに依存しない 𝜃₁₃ および初期フラックスの制約を導出すること。

提案手法

• 1987年2月23日UTC 2時52分のLSD信号（5イベント）が、エネルギー約40 MeV、フラックス約10¹⁰ cm⁻² の電子ニュートリノに起因すると仮定する。
• LSDの時刻におけるKIIおよびIMBでの信号の不在を用いて、地球における電子反ニュートリノフラックスが ≤10⁹ cm⁻² であることを制限し、F̄νₑ ≲ 0.1 Fνₑ を示唆する。
• ニュートリノ振動の形式を用いて、元のフラックス（F⁰）と観測フラックス（F）を混合角および質量階層を通じて関連付ける。
• 3つの場合を検討する：正常階層（NL）、逆階層（IL）、断熱的生存（AS）、物質中でのフレーバー変換の式を用いる。
• 超新星の前身星および地球における物質効果を組み込むが、それらが結果に与える影響は最大20％にとどまり、フラックスの不確実性の範囲内であることを示す。
• 観測フラックス比および振動確率に基づいて、F⁰ₙᵤ、F⁰ₙᵤ、F⁰ₙₜ、F⁰ₙₜ、F⁰ₙₑ に対する制約を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ振動を考慮した場合、SN1987AのLSD信号が電子ニュートリノによって一貫して説明可能であろうか？
• RQ2 LSDの時刻におけるKIIおよびIMBでの信号の不在が、地球における電子反ニュートリノフラックスにどのような制約を課すか？
• RQ3 正常ニュートリノ質量階層の下で、LSDの信号が混合角 𝜃₁₃ に課す上限は何か？
• RQ4 振動の前における元のニュートリノフラックスは、地球における観測フラックスとどのように異なるか？
• RQ5 フラックスの制約はモデルに依存するものか、それともモデルに依存しないのか？

主な発見

• ニュートリノ質量階層が正常である場合、特定の超新星コラプスモデルに依存せず、𝜃₁₃ > 3×10⁻² は除外される。
• ミュオンおよびタウニュートリノおよび反ニュートリノの初期フラックスは、幾何的要因 R²/R²ₙₛ を除き、観測された地球における電子反ニュートリノフラックス以下に制限される。
• 初期の電子ニュートリノフラックスは、同じ幾何的要因を除き、地球における観測フラックスの約3倍大きいことが判明した。
• 𝜃₁₃ ≲ 3×10⁻³ の場合、初期の電子反ニュートリノフラックスは、再び同じ幾何的要因を除き、地球における観測フラックスと同程度のオーダーである。
• 地球の物質効果を考慮しても、正常階層が 𝜃₁₃ > 3×10⁻² を除外する結論は、変化を最小限に抑え、20％以内の変更にとどまる。
• LSDの信号とKIIおよびIMBでの信号の不在を組み合わせた制約は、全SN1987Aニュートリノバーストデータに基づき、質量階層にかかわらず 𝜃₁₃ > 3×10⁻² を不適切なものとする。