[論文レビュー] Constraints on the non-standard interaction in propagation from atmospheric neutrinos

Shinya Fukasawa, Osamu Yasuda|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 28被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、非標準的相互作用（NSI）を、スーパーカミオカンデ（SK）と将来のハイパーカミオカンデ（HK）のデータを用いて大気中ニュートリノの伝播において制限している。NSIパラメータとしてフレーバー依存のεee、εeτ、εττを仮定し、εττ ≈ |εeτ|²/(1+εee) という関係を適用している。SKデータは2.5σ信頼水準で |tanβ| ≡ |εeτ/(1+εee)| ≲ 0.8 を制限するが、HKではこの境界が ≲ 0.3 まで改善されると予想される。エネルギースペクトル解析により、εeeおよび|εeτ|の制限はさらに厳しくなる。

ABSTRACT

The sensitivity of the atmospheric neutrino experiments to the non-standard flavor-dependent interaction in neutrino propagation is studied under the assumption that the only nonvanishing components of the non-standard matter effect are the electron and tau neutrino components $ε_{ee}$, $ε_{eτ}$, $ε_{ττ}$ and that the tau-tau component satisfies the constraint $ε_{ττ}=|ε_{eτ}|^2/(1+ε_{ee})$ which is suggested from the high energy behavior for atmospheric neutrino data. It is shown that the Superkamiokande (SK) data for 4438 days constrains $| anβ|\equiv|ε_{eτ}/(1+ε_{ee})|\lesssim 0.8$ at 2.5$σ$ (98.8\%) CL whereas the future Hyperkamiokande experiment for the same period of time as SK will constrain as $| anβ|\lesssim 0.3$ at 2.5$σ$CL from the energy rate analysis and the energy spectrum analysis will give even tighter bounds on $ε_{ee}$ and $|ε_{eτ}|$.

研究の動機と目的

• 大気ニュートリノデータを用いて、フレーバー依存の非標準的相互作用（NSI）をニュートリノ伝播において制限すること。
• スーパーカミオカンデ（SK）および将来のハイパーカミオカンデ（HK）実験がNSIパラメータεee、εeτ、εττをどの程度感度よく測定できるかを評価すること。
• 高エネルギーにおける大気ニュートリノデータの振る舞いが、NSIパラメータの制限に与える影響を調査すること。
• エネルギースペクトル解析とレート解析の役割を評価し、ニュートリノと反ニュートリノの破壊的干渉を軽減する点での感度向上を検討すること。
• HKがNSIパラメータを測定し、標準模型を越える物理学を探る可能性を検討すること。

提案手法

• εee、εeτ、εττのうち非ゼロであると仮定した簡略化されたNSI物質ポテンシャル行列を用い、高エネルギーの大気ニュートリノデータに基づいてεττ = |εeτ|²/(1+εee) という制約を課す。
• ニュートリノが地球の物質を通過する際の伝播を記述するため、修正された物質ポテンシャル行列Aを用いたディラック方程式を用いる。
• シミュレートされたおよび実際の大気ニュートリノデータに対してχ²解析を実施し、観測されたイベントレートおよびエネルギースペクトルを、NSIモデルと標準的混合モデルの予測と比較する。
• SKおよびHKの両方について、エネルギー率データおよびエネルギースペクトルデータを別々に分析する。HKについては4438日分の露出を仮定する。
• 2.5σ信頼水準（自由度2のときΔχ² = 8.8）を用いて、(εee, |εeτ|)パラメータ空間における許容領域を特定する。
• ニュートリノと反ニュートリノの干渉の影響を検討し、HKがニュートリノと反ニュートリノを区別できる可能性が感度向上に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スーパーカミオカンデの大気ニュートリノデータから、NSIパラメータ |εeτ/(1+εee)| に対する現在の制限は何か？
• RQ2 ハイパーカミオカンデのNSIパラメータに対する感度は、スーパーカミオカンデと比べてどの程度向上するか？
• RQ3 エネルギースペクトル解析は、レート解析のみに比べてNSI制限をどの程度改善するか？
• RQ4 ニュートリノと反ニュートリノの破壊的干渉はNSI感度にどのような影響を与え、これをどのように軽減できるか？
• RQ5 異なるニュートリノ質量階層のもとで、HKがεeeおよび|εeτ|をどの程度の精度で測定できるか？

主な発見

• 4438日分のスーパーカミオカンデデータは、2.5σ信頼水準で |tanβ| ≡ |εeτ/(1+εee)| ≲ 0.8 を制限する（98.8%信頼水準）。
• ハイパーカミオカンデでは、エネルギー率解析を用いてこの境界を |tanβ| ≲ 0.3 まで改善することが予想される。
• HKにおけるエネルギースペクトル解析は、さらに厳しい制限をもたらす。通常階層では -0.1 ≲ εee ≲ 0.2 および |εeτ| < 0.08 が2.5σ信頼水準で得られる。
• 逆階層では、HKエネルギースペクトル解析により εee は -0.4 ≲ εee ≲ 1.2 および |εeτ| < 0.34 が2.5σ信頼水準で制限される。
• 特に |εee| ≳ 2 あるいは逆階層にある場合、ニュートリノと反ニュートリノの干渉が生じることで、NSIパラメータの感度が著しく低下する。
• HKがニュートリノと反ニュートリノを区別できるように計画されていることから、破壊的干渉を回避でき、NSI感度が著しく向上する。