[論文レビュー] Correspondence between nonstandard interactions and CPT violation in neutrino oscillations

J. S. Díaz|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2015

Quantum Mechanics and Applications被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、物質中における非標準的ニュートリノ相互作用（NSI）とニュートリノ振動におけるCPT破れの間の直接的対応関係を確立し、それらの実験的シグネチャが同一であることを示している。摂動的手法と既存の実験的制約を用いて、これまで未検討であったNSIパラメータの虚数部に対する最初の制約と、CPT破れ係数に対する新たな制約を導出し、両形式間の相互制約を可能にした。

ABSTRACT

The experimental signatures of nonstandard neutrino interactions are shown to be equivalent to CPT violation in neutrino oscillations. This result leads to a correspondence in the study of these two descriptions that can be used to constrain the relevant parameters of one formalism by using the available bounds on parameters of the other. The correspondence is illustrated and explicitly used to determine first bounds on previously unexplored parameters in both formalisms.

研究の動機と目的

• 非標準的ニュートリノ相互作用（NSI）とニュートリノ振動におけるCPT破れの間の形式的対応関係を確立すること。
• 既存の実験的制約を用いて、NSI形式とCPT破れ形式の間のパラメータの相互制約を可能にすること。
• NSIパラメータの虚数部およびCPT破れ係数に関する、これまで未検討の新たな制約を導出すること。
• 明示的な摂動的解析と現在のデータへの応用を通じて、対応関係の実用的有効性を示すこと。

提案手法

• 物質効果を中性荷電現在型相互作用としてモデル化する四フェルミオンラグランジアンを用いて、NSIを有効場理論で記述する。パラメータはεαβmfで表される。
• 物質中におけるNSI伝播の有効ハミルトニアンを導出し、MSW効果に類似した修正分散関係と同等であることを示す。
• 摂動的手法を用いて、NSIおよびCPT破れ項を含む状況下での振動確率を計算する。固有値分解と混合行列要素を用いる。
• 3×3ハミルトニアンの立方根固有値方程式をカールダノの方法で解き、エネルギー固有状態と混合行列要素を計算する。
• 混合行列要素の実部および虚数部を含む一般振動確率式を用いて、観測可能な効果を抽出する。
• 確立された対応関係を用いて、ある形式（例：CPT破れ）からの実験的制約を、他方の形式（例：NSI）への制約に翻訳する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物質中における非標準的ニュートリノ相互作用（NSI）は、ニュートリノ振動におけるCPT破れと同一の実験的シグネチャを生じるか？
• RQ2 ニュートリノ振動におけるNSI形式とCPT破れ形式のパラメータの間の正確な数学的対応関係は何か？
• RQ3 既存のCPT破れに関する実験的制約を用いて、これまで未検討であったNSIパラメータの虚数部を制約できるか？
• RQ4 NSIの素性から得られる制約を用いて、CPT破れ係数に関する新たな制約を導出できるか？
• RQ5 NSIとCPT破れの間の対応関係を、将来のニュートリノ実験における奇妙な物理の感度向上にどのように活用できるか？

主な発見

• CPT破れとの対応関係を用いて、NSIパラメータεmeμ、εmeτ、εmμτの虚数部に対する最初の制約が得られた。
• これまで未束縛であったCPT破れ係数(aL)0μτに関する新たな制約が確立された。
• CPT破れ形式においてこれまで未検討であったパラメータ|(aL)0μμ − (aL)0ττ|に対して、初めての制約が設定された。
• 対応関係により、NSIとCPT破れパラメータの間の相互制約が可能となり、個別の解析を上回る感度向上が達成された。
• この方法により、真空中のCPT破れ効果とNSI効果を区別できることを示した。CPT破れ効果は真空中に現れるが、NSI効果は密度の高い物質中を通過する必要がある。
• 結果は、対応関係の機能的有効性を確認しており、いずれの形式からも実験データを用いてパラメータの上限を導出可能であることを示している。