[論文レビュー] CPT violating neutrinos in the light of KamLAND and Super-K

Gabriela Barenboim, L. Borissov+1 more|ArXiv.org|Dec 8, 2002

Neutrino Physics Research参考文献 9被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、LSND、KamLAND、Super-Kの大気中性子、太陽中性子のデータを同時にフィットする4つの質量差と6つの混合角を持つCPT破れの中性子質量スペクトルを提案する。LSNDデータを含めた場合、228自由度に対して$χ^2$が201に達し、CPT保存の最良フィットと統計的に同等であることが示された。一方、ニュートリノと反ニュートリノ間の質量スプリングの大きな違いにより、MINOSで観測可能な特徴的な大気中性子振動信号を予測している。

ABSTRACT

We show that a hierarchical CPT violating neutrino spectrum can simultaneously accommodate all published neutrino data, including the LSND result, with a total chi^2 which is almost identical to the CPT conserving best fit. In our scenario the oscillation signal seen by the KamLAND experiment in antineutrinos is independent of the LMA solar oscillation signal seen in neutrinos. A larger antineutrino mass splitting accounts for the LSND signal and also contributes to atmospheric oscillations. Because of this feature, there is some tension between our model and certain Super-K atmospheric results. Thus, if LSND did not exist, our model would survive only at the 99% confidence level; with LSND, our model is (essentially) statistically equivalent to the CPT conserving best fit.

研究の動機と目的

• CPT破れの中性子質量スペクトルが、LSND、KamLAND、大気中性子、太陽中性子のデータを同時に説明できるかどうかを検討すること。
• LSNDの懸念の多い状態を考慮に入れても、そのようなモデルが全グローバル中性子データセットと統計的に整合するかを評価すること。
• CPT破れが中性子系で確認できる特徴的な実験的シグネチャを特定すること。
• 特に視線角依存のミューオンイベントに関して、モデルとSuper-Kの大気中性子データとの間に生じる緊張を評価すること。
• MINOS や MiniBooNE のような今後の実験で、CPT破れとCPT保存のシナリオを区別できる観測可能な差を予測すること。

提案手法

• モデルは、標準的な3ニュートリノCPT保存フレームワークとは異なる、4つの質量差と6つの混合角を持つ階層的CPT破れスペクトルを採用する。
• ニュートリノと反ニュートリノの振動確率は、別個のユニタリ行列$U$と$\overline{U}$を用いて計算され、それぞれ異なる質量平方差$\Delta m_{ij}^2$と$\Delta\overline{m}_{ij}^2$を持つ。
• 振動確率は標準的な式から導出される：$P(\nu_\alpha \to \nu_\beta) = \delta_{\alpha\beta} - 4\sum_{i>j} U_{\alpha i}U_{\beta i}U_{\alpha j}U_{\beta j} \sin^2\left[\frac{\Delta m_{ij}^2 L}{4E}\right]$、反ニュートリノの場合は類似の式が成り立つ。
• LSND、KamLAND、Super-Kの大気中性子、太陽中性子のデータを用いたグローバル$χ^2$解析により、CPT破れモデルと標準的なCPT保存フィットを比較する。
• モデルは、Super-Kの通過ミューオンの視線角依存性に対してテストされ、データと顕著な緊張が生じている。
• MINOSでは、電荷の識別が可能であるため、ニュートリノと反ニュートリノ成分を分離して測定でき、大気中性子領域における$\nu$と$\overline{\nu}$間の大きな質量スプリング差を直接テストできる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4つの質量差と6つの混合角を持つCPT破れの中性子スペクトルが、LSND、KamLAND、大気中性子、太陽中性子のデータを同時に説明できるか？
• RQ2 LSNDデータを含めた場合、CPT破れモデルの統計的有意性は、標準的なCPT保存フィットと比べてどの程度か？
• RQ3 Super-Kの大気中性子データとの緊張の原因は何か、特に視線角依存のミューオンイベントに関して。
• RQ4 MINOS や MiniBooNE のような今後の実験で、CPT破れとCPT保存の中性子振動を区別できるか？
• RQ5 CPT破れが観測された異常を説明する正しい解釈であるならば、LSND結果にどのような意味が生じるか？

主な発見

• CPT破れモデルは、228自由度に対して合計$\chi^2 = 201$を達成し、CPT保存の最良フィット（232自由度で$\chi^2 = 199$）とほぼ同等である。
• LSNDを含めた場合、モデルの信頼水準は$CL = 0.74$であり、4パラメータで$\Delta\chi^2 \geq 2$であるため、CPT保存シナリオと統計的に同等である。
• データとの最大の不一致は、特に通過ミューオンの視線角依存性を示すSuper-Kの大気中性子データに起因し、精密分析で$\Delta\chi^2 \approx 12.7$の寄与がある。
• LSNDを除いた場合、モデルの信頼水準は$CL = 0.01$に低下し、LSNDがモデルの妥当性にとって不可欠であることが示された。
• モデルは、ニュートリノと反ニュートリノの間で大気中性子質量スプリングに大きな差を持つと予測しており、MINOSは電荷依存検出により、この差を直接区別できる。
• KamLANDとBorexinoの結果に矛盾がある場合——例えばKamLANDで振動が観測され、Borexinoで昼夜の非対称性が観測される——それはCPT破れの強力な証拠となるだろう。LSNDが否定されても、この矛盾はCPT破れの可能性を支持する。