[論文レビュー] CPT invariance and neutrino physics

Ilya Tsukerman|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2010

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 99被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ニュートリノ物理学におけるCPTおよびローレンツ対称性の破れをレビューし、ニュートリノ振動、ニュートリノと反ニュートリノの質量差、および実験的制約への影響に焦点を当てる。理論的モデルとして、修正された分散関係や量子デコherenceを分析し、LSNDおよびMiniBooNEのデータを含む現在のデータは、4.6σの水準でCPT対称性の破れを支持しないことが結論づけられ、ニュートリノ系におけるCPT対称性の堅牢性が強化される。

ABSTRACT

CPT invariance in neutrino physics has attracted attention after the revival of the hypothetical idea that neutrino and antineutrino might have nonequal masses ($m_{\barν} eq m_ν$) when realizing neutrino oscillations as a new sensitive phenomenon to search for the violation of this fundamental symmetry. Moreover, the profound relation between the CPT and Lorentz symmetries turns the studies of CPT and Lorentz invariance violations into the {\bf one two-sided} problem. We present a guide for non-experts through the literature on neutrino physics. The basic works are reviewed thoroughly while for the other papers only current results or discussion issues are quoted. The review covers, mostly, oscillations of neutrinos, resonant change of their flavors and cosmic neutrino physics to systematize possible evidences of CPT/Lorentz violation in this sector of the Standard

研究の動機と目的

• ニュートリノ物理学におけるCPTおよびローレンツ対称性の破れに関する理論的および実験的研究を体系化すること。
• LSNDの異常が、ステアリングニュートリノを導入せずにCPT対称性の破れによるニュートリノ質量差によって説明可能かどうかを評価すること。
• 太陽、大気圏、原子炉、およびLSNDのデータを含む、グローバルなニュートリノ振動データにCPT対称性の破れモデルが適合するかを評価すること。
• 有効場理論および物性モデルを用いて、ニュートリノ系におけるCPT、ローレンツ、および等価原理の破れの相乗的影響を検討すること。
• 2009年までに発表された文献について、CPTおよびローレンツ対称性の破れに関する包括的かつ最新のレビューを提供すること。特に物性的制約に重点を置く。

提案手法

• CPTおよびローレンツ対称性の破れに関する200篇を超える出版物の体系的レビュー。理論的モデルと実験的データを含む。
• 摂動的有効場理論形式を用いて、ニュートリノラグランジアンにCPT奇性およびローレンツ対称性の破れパラメータを導入する。
• 修正された分散関係（MDR）および量子デコherence（QD）メカニズムを用いて、標準的でないニュートリノの振る舞いをモデル化する。
• 3フレーバー枠組みにおけるニュートリノ振動データのグローバルフィッティングを行い、CPT保存型とCPT破れ型のシナリオを比較する。
• LSND、MiniBooNE、太陽、大気圏、原子炉ニュートリノ実験からの理論的予測と実験的結果を比較する。
• 3σおよび4.6σの信頼水準を用いた統計的分析により、CPT破れモデルがデータと整合するかをテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LSNDの異常は、ニュートリノと反ニュートリノの質量が異なるCPT破れシナリオによって説明可能か？
• RQ2 特に地上および宇宙ニュートリノ実験において、ローレンツ対称性およびCPT対称性の破れがニュートリノ振動に与える物性的影響は何か？
• RQ3 修正された分散関係および量子デコherenceは、ニュートリノのフレーバー遷移および振動パラメータにどのように影響を与えるか？
• RQ4 CPT破れモデルは、ステアリングニュートリノを導入せずに、グローバルなニュートリノ振動データをどれほど正確に再現できるか？
• RQ5 現在の実験的限界は、CPTおよびローレンツ対称性の破れをニュートリノ系でどの程度制限しているか。また、量子重力に由来するモデルに対してはどのような制約を与えるか？

主な発見

• Ref. [327]で提唱されたCPT破れシナリオ（ニュートリノと反ニュートリノの質量差が異なると仮定）は、LSNDの異常と他のニュートリノ振動データの両方を同時に説明できない。
• LSNDを除くニュートリノ振動データのグローバルフィッティングにおいて、CPT保存型とCPT破れ型の両モデルで、ニュートリノと反ニュートリノの最適適合混合パラメータはほぼ同一である。
• LSND異常をCPT破れ解釈として拒否する統計的有意水準は4.6σであり、現在のデータと強い不一致を示している。
• 過去20年間にわたり高精度のテストが実施されたが、ニュートリノ実験ではローレンツ対称性の破れの証拠は得られなかった。
• ニュートリノデータから得られる、次元≤6のローレンツ対称性の破れ作用素に対する制約は、すでにプランクスケールの物理的効果を除外するのに十分な強さに達している。
• 現在のデータでは、ニュートリノと反ニュートリノの状態の正順序と逆順序のCPT破れシナリオを区別できない。これは、物性的シグネチャにデゲネラシーが存在することを示している。