[論文レビュー] CP- and T-Violation Effects in Long Baseline Neutrino Oscillation Experiments

Masafumi Koike, Joe Sato|ArXiv.org|Jul 1, 1997

Neutrino Physics Research被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、3つのニュートリノのフレームワークを用いて、長基線ニュートリノ振動実験におけるCPおよびT対称性の破れ効果を調査する。2つの手法——振動確率の包絡線を分析することと、複数の基線長でのデータ比較——を提案し、物質に起因する効果から純粋なCP対称性の破れを分離することを目的とする。太陽ニュートリノと大気ニュートリノの異常両方が振動によって説明可能な場合、顕著なT対称性の破れが可能であるが、その場合、物質効果を慎重に取り扱う必要があることが示された。

ABSTRACT

We examine how large CP- and T-violation effects are allowed in long baseline neutrino experiments with three generations of neutrinos, considering both the solar neutrino deficit and the atmospheric neutrino anomaly. We considerd two cases: When we attribute only the atmospheric neutrino anomaly to neutrino oscillation and assume the constant transition probability of electron neutrino to explain the solar neutrino deficit, we may have large CP-violation effect. When we attribute both the atmospheric neutrino anomaly and the solar neutrino deficit to neutrino oscillation, we can see sizable T-violation effects. In this case, however, we cannot ignore the matter effect and we will not see the pure CP-violation effect. We also show simple methods how to separate pure CP violating effect from the matter effect. We give compact formulae for neutrino oscillation probabilities assuming one of the three neutrino masses (presumably tau neutrino mass) to be much larger than the other masses and the effective mass due to matter effect. Two methods are shown: One is to observe envelopes of the curves of oscillation probabilities as functions of neutrino energy; a merit of this method is that only a single detector is enough to determine the presence of CP violation. The other is to compare experiments with at least two different baseline lengths; this has a merit that it needs only narrow energy range of oscillation data.

研究の動機と目的

• 長基線ニュートリノ実験における3つのニュートリノ世代を想定したCPおよびT対称性の破れ効果の大きさを評価すること。
• ニュートリノ伝搬における物質効果が存在する状況でも、純粋なCP対称性の破れが観測可能かどうかを特定すること。
• 振動データにおけるCP対称性の破れ信号と物質に起因する効果を分離するための実用的手法を開発すること。
• 1つのニュートリノ質量が他の2つよりも著しく大きく、有効な物質質量が支配的であるという仮定の下で、ニュートリノ振動確率の簡潔な解析的式を導出すること。
• 単一の検出器または複数の基線長のみを用いて、CP対称性の破れと物質効果を実験的に区別できるようにすること。

提案手法

• ニュートリノエネルギーに応じた振動確率関数の包絡線に注目し、基線長に依存しないCP対称性の破れ効果を特定する。
• 単一の検出器を用いる手法を提案し、エネルギー依存性を持つ包絡線構造を観測することでCP対称性の破れを検出する。
• 少なくとも2つの異なる基線長を用いた比較的手法を導入し、CP対称性の破れ信号を分離する。この手法は、狭いエネルギー範囲のデータのみを必要とする。
• タウニュートリノ質量が他の2つの質量よりも著しく大きく、有効な物質質量が支配的であるという仮定の下で、ニュートリノ振動確率の簡潔な式を導出する。
• 物質効果が振動確率に与える影響を検討し、真のCP対称性の破れ位相からの寄与を分離する戦略を開発する。
• 2つの状況に適用する：1つは大気ニュートリノの異常のみが振動によって説明される場合、もう1つは太陽および大気ニュートリノの異常両方が振動によって説明される場合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気ニュートリノの異常のみが振動によって説明される場合、長基線ニュートリノ実験におけるCP対称性の破れ効果の最大値は何か？
• RQ2 太陽および大気ニュートリノの異常両方がニュートリノ振動によって説明される場合、顕著なT対称性の破れ効果は観測可能か？
• RQ3 物質効果は、長基線実験における純粋なCP対称性の破れ信号の検出をどの程度妨げるか？
• RQ4 単一の検出器のみを用いて、CP対称性の破れ効果を物質に起因する効果からどのように分離できるか？
• RQ5 包絡線解析と多基線比較のどちらの実験的戦略が、振動データにおけるCP対称性の破れ検出においてより頑健な手法を提供するか？

主な発見

• 大気ニュートリノの異常のみが振動によって説明され、太陽ニュートリノの欠損が一定の遷移確率によって説明される場合、顕著なCP対称性の破れ効果が許容される。
• 太陽および大気ニュートリノの異常両方が振動によって説明される場合、顕著なT対称性の破れ効果が観測可能であるが、物質効果は無視できない。
• 3ニュートリノフレームワークにおいて、純粋なCP対称性の破れ効果は物質効果によって覆い隠されるため、分離手法の導入が不可欠である。
• 包絡線法により、エネルギーにわたる振動確率曲線の形状に依存するため、単一の検出器からのデータのみでCP対称性の破れを検出可能である。
• 多基線法により、狭いエネルギー範囲のデータのみでCP対称性の破れを検出可能であり、実験設計において実用的な代替手段を提供する。
• タウニュートリノ質量が支配的であるという仮定の下で、振動確率の簡潔な解析的式が導出され、長基線系におけるCPおよびT対称性の破れの解析が簡素化される。