[論文レビュー] How to find sterile neutrinos ?

Mikhail Shaposhnikov|ArXiv.org|Jun 13, 2007

Neutrino Physics Research参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ニュートリノの振動、ダークマター、バリオン非対称性を同時に説明できる、標準模型の最小限の拡張であるν MSMを提案する。このモデルは、keV–GeVスケールの非常に弱い結合を持つステアラ・ニュートリノを予測し、高強度陽子ビームにおける欠損エネルギーのシグネチャーやX線崩壊シグナチャーによって検出可能である。主な制約条件は宇宙論的および加速器実験データに基づく。

ABSTRACT

We describe an extention of the Standard Model (the $ν$MSM) by three light singlet Majorana fermions -- sterile neutrinos, which allows to address simultaneously the problem of neutrino oscillations and the problems of dark matter and baryon asymmetry of the Universe. We discuss the ways these new particles can be searched for in astrophysical, laboratory, and accelerator experiments.

研究の動機と目的

• 標準模型の最小限の拡張内で、ニュートリノ振動、ダークマター、バリオン非対称性の統一的説明を達成すること。
• 宇宙論的および天体物理学的制約を満たす、軽いステアラ・ニュートリノ（1 keV–1 GeV）の妥当なパラメータ空間を同定すること。
• X線分光法および高強度陽子ビーム実験によるステアラ・ニュートリノの検出戦略を提案すること。
• LHC、MiniBooNE、ダークマター探索など、既存および将来の実験結果に対してν MSMの妥当性を検証すること。
• WIMPの検出、LSND異常の確認、またはノンバーレル二重ベータ崩壊の観測といった将来の観測結果に基づいて、モデルを除外または確認すること。

提案手法

• 右ネオンド・ステアラ・マヨラナフェルミオン（N_I）を3つ導入することで標準模型を拡張し、18個の新しいパラメータ（3つのマヨラナ質量と15個のヒーゲンスカップリング）を導入する。
• L_ν MSM = L_SM + L_N + L_Yukawa + L_Majorana のラグランジュアンを用いて、ディラックおよびマヨラナ質量項を含む相互作用を記述する。
• 小さなヒーゲンスカップリング（10^−6–10^−12）とkeV–GeVスケールのマヨラナ質量を用いたシー・サウス機構により、小さなアクティブ・ニュートリノ質量を生成する。
• ダークマターを最も軽いステアラ・ニュートリノ（N_1）としてモデル化し、τ_N1 ∝ (M_1 / 1 keV)^−5 × (θ^2 / 10^−8)^−1 のように寿命が定義され、θ^2 ~ 10^−8 のとき宇宙年齢を10桁以上上回る。
• 陽子ビーム（例：NuMI、CNGS、J-PARC）を用いた加速器実験で、欠損エネルギーまたは崩壊シグネチャーよりステアラ・ニュートリノを生成・検出する戦略を提案する。
• エネルギー分解能 δE/E ~ 10^−3–10^−4 の宇宙船搭載X線分光計を用い、N_1崩壊（例：N_1 → νν̄ または ν̄ν）からの単エネルギーX線線を検出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 keV–GeVスケールのステアラ・ニュートリノは、最小限のモデル内で、ニュートリノ振動、ダークマター、バリオン非対称性を同時に説明可能か？
• RQ2 宇宙論的および天体物理学的制約を満たすステアラ・ニュートリノ質量および混合角の妥当なパラメータ範囲は何か？
• RQ3 高強度陽子ビームと欠損エネルギーシグネチャ一を用いた実験で、ステアラ・ニュートリノはどのように検出可能か？
• RQ4 銀河および矮星団源からのX線観測は、ダークマターのステアラ・ニュートリノ検出にどのように寄与するか？
• RQ5 どの将来の実験的結果がν MSMを反証するか？また、モデルはどのようにして検証され、除外されるか？

主な発見

• M_1 ~ 1 keV で θ^2 ~ 10^−8 のとき、最も軽いステアラ・ニュートリノ（N_1）は、宇宙年齢を10桁以上上回る寿命を示し、ダークマター候補として機能可能である。
• N_1の崩壊幅は小さなヒーゲンスカップリングにより抑制され、τ_N1 ~ 5×10^26 sec × (1 keV / M_1)^5 × (10^−8 / θ^2) と表され、長寿命で非常に弱い相互作用を示すダークマターを実現する。
• N_1崩壊からの単エネルギーX線線を検出するには、エネルギー分解能 δE/E ~ 10^−3–10^−4 のX線分光計が必要であり、特にミルキーウェイおよびその矮星団からの信号に有効である。
• 中間子のしきい値（m_K ~ 490 MeV）未満の質量を持つステアラ・ニュートリノは、CNGS、FNAL、J-PARCなどの既存加速器で、パイオンおよび中間子崩壊における欠損エネルギーを用いて探索可能である。
• D中間子のしきい値（m_D ~ 1.86 GeV）を超える質量では、統計的精度とバックグラウンドの問題により検出が極めて困難となり、ビーム強度を2桁以上向上させる必要がある。
• ν MSMは反証可能である：WIMPの発見、LSND異常の確認、またはノンバーレル二重ベータ崩壊の観測が実現すれば、モデルは除外される。