[論文レビュー] Constraints on New Physics from Long Baseline Neutrino Oscillation Experiments

Minako Honda, Yee Kao+3 more|ArXiv.org|Jul 31, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 75被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、フェルミラブ・ニューミビームをハイパーカミオカンデに向けた長基底長ニュートリノ振とう実験が、フレーバー非一様な物質効果に起因するニュートリノ生存確率のずれを測定することにより、標準模型を超える新しい物理を制約できることを提案している。この実験が、特にゲージ化された B−3Lτ および世代非対角的レプトクォークに対して、LHC よりも競争力のある、あるいはより強い制約をもたらす可能性がある。その条件は、追加の物質効果を定量化するパラメータ ξ が 99% 統計的信頼区間で |ξ| ≤ 0.005 に制限されることである。

ABSTRACT

New physics beyond the Standard Model can lead to extra matter effects on neutrino oscillation if the new interactions distinguish among the three flavors of neutrino. In a previous paper, we argued that a long-baseline neutrino oscillation experiment in which the Fermilab-NUMI beam in its high-energy mode is aimed at the planned Hyper-Kamiokande detector would be capable of constraining the size of those extra effects, provided the vacuum value of \sin^2 2θ_{23} is not too close to one. In this paper, we discuss how such a constraint would translate into limits on the coupling constants and masses of new particles in various models. The models we consider are: models with generation distinguishing Z's such as topcolor assisted technicolor, models containing various types of leptoquarks, R-parity violating SUSY, and extended Higgs sector models. In several cases, we find that the limits thus obtained could be competitive with those expected from direct searches at the LHC. In the event that any of the particles discussed here are discovered at the LHC, then the observation, or non-observation, of their matter effects could help in identifying what type of particle had been observed.

研究の動機と目的

• 長基底長ニュートリノ振とう実験が、標準模型を超える新しい物理をどの程度制約できるかを評価すること。
• Z′ やレプトクォーク、R-奇性破れのSUSY などの新しい粒子から生じるフレーバー非一様な相互作用に起因する物質効果が、ニュートリノ振とうデータからどのように探査可能かを調査すること。
• 得られた結合定数および粒子質量の制約を、既存の限界と予想されるLHC感度と比較すること。
• どのような新しい物理モデルが、このような振とう測定によって独自に特定可能または区別可能になるかを特定すること。

提案手法

• 本研究では、追加の物質効果をパラメータ ξ で定量化する有効ハミルトニアン形式を用いて、物質中でのニュートリノ振とうをモデル化した。ξ は中性荷電現在の普遍性からのずれを表す。
• 物質中での νμ および ν̄μ の生存確率を導出し、ξ が振とうディップ位置に比例する aξ/Δm²₃₁ のシフトを引き起こすことを示した。
• 9120 km の基底長と高エネルギービームを想定したフェルミラブからハイパーカミオカンデへの仮想実験を用い、νμ の生存確率から ξ を制約した。
• 99% 統計的信頼区間における |ξ| ≤ 0.005 の制約を、Z′、レプトクォーク、R-奇性破れのSUSY、拡張されたヒッグス系といったさまざまな新しい物理モデルの結合定数および質量に変換した。
• 有効な ξ パラメータを、放射修正および直接交換図を通じて、基礎的なモデルパラメータに一致させた。
• 得られた制約を既存の実験的限界と比較し、LHCの予想される感度と照らし合わせて、その競争力の有無を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フレーバー非一様な物質効果を引き起こす新しい物理モデルが、ニュートリノのフレーバー普遍性を破る場合、長基底長ニュートリノ振とう実験はそれらを制約できるか？
• RQ2 フェルミラブ・ニューミビームからハイパーカミオカンデへの実験は、新しい物質効果に起因するニュートリノ振とうパラメータのずれに対してどの程度感度を持つのか？
• RQ3 Z′、レプトクォーク、R-奇性破れのSUSY といった新しい物理モデルにおいて、LHC よりも競争力のある、あるいはより強い制約をこの実験が得られるか？
• RQ4 sin²2θ₂₃ の値が、これらの新しい物質効果の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ5 LHC で類似のシグネチャを生成する場合、ニュートリノ振とうデータが、世代非対角的レプトクォークと対角的レプトクォークの違いを区別するのに役立つだろうか？

主な発見

• フェルミラブ・ニューミビームからハイパーカミオカンデへの実験から得られる |ξ| ≤ 0.005（99% CL）という制約は、ゲージ化された B−3Lτ モデルに関しては、予想されるLHCの限界よりも強い制約をもたらす可能性がある。
• 世代非対角的レプトクォークの場合は、√|Cₗₚ||δλ²ₗₚ| = O(1) の場合に、LHC と同等の感度が得られ、ニュートリノ振とうが補完的プローブとして有効である。
• トップカラーヘルプド・テクニカラーのモデルは、この手法でうまく制約できない。なぜなら、陽子と電子の ξ への寄与が相殺され、かつ結合定数がもともと厳密に制約されているからである。
• R-奇性破れのレプトクォーク結合定数およびトップカラーヘルプド・テクニカラーにおける Z′ モデルは、既存の高精度測定ですでに強く制約されているため、振とうに基づく制約は競争力に欠ける。
• Zee モデル、Babu-Zee モデル、トリプレットヒッグスモデルも、低エネルギー実験ですでに強く制約されているため、この手法ではそれらの限界を改善できない。
• 非ゼロの ξ 測定は、有効な新しい物理モデルの候補を著しく絞り込むことができ、LHC で発見された新しい粒子の特定を支援する。