[論文レビュー] Hypothesis about semi-weak interaction and experiments with solar neutrinos

L. M. Slad|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 33被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、質量のないパラメータスカラー粒子を介した半弱い相互作用を提案し、太陽内で電子ニュートリノが約10回の核子との衝突を経てヘリシティが反転し、エネルギー分布が変化することを示している。このモデルは、$^{37}$Cl、$^{71}$Ga、弾性散乱、重水素核の崩壊の実験データと非常に良好に一致し、ニュートリノ振動とは異なる単一の自由パラメータを持つ代替理論を提供する。

ABSTRACT

A new concept is proposed to solve the solar neutrino problem, that is based on a hypothesis about the existence of semi-weak interaction of electron neutrinos with nucleons mediated by massless pseudoscalar bosons. Owing to about 10 collisions of a solar neutrino with nucleons of the Sun, the fluxes of left- and right-handed solar neutrinos at the Earth surface are approximately equal, and their spectrum is changed in comparison with the one at the production moment. The postulated model with one free parameter provides a good agreement between the calculated and experimental characteristics of the processes with solar neutrinos: ${}^{37}{ m Cl} ightarrow {}^{37}{ m Ar}$, ${}^{71}{ m Ga} ightarrow {}^{71}{ m Ge}$, $ν_{e} e^{-} ightarrow ν_{e} e^{-}$, and $ν_{e}D ightarrow e^{-}pp$.

研究の動機と目的

• 標準太陽モデルの予測と実験的観測との間に生じる不一致を解消するため、ニュートリノ振動に依存せず、新たな相互作用メカニズムを提案すること。
• ニュートリノ振動に依存せずに、$^{37}$Cl、$^{71}$Ga、弾性散乱、重水素核の崩壊を含む、複数の太陽ニュートリノ実験を統一的に説明すること。
• 実験で観測されたニュートリノフラックスとエネルギー依存性が、太陽の不均一な媒体内でのニュートリノ散乱による半弱い相互作用によって説明可能であることを示すこと。
• 太陽内部での観測されたニュートリノフラックスと衝突統計を用いて、提案された相互作用の結合定数を定量化すること。

提案手法

• 電子ニュートリノと核子を結ぶ質量のないパラメータスカラー粒子を介した半弱い相互作用を提案し、結合定数の積は $ g_{\nu_e ps}g_{N ps}/4\pi = (3.2 \pm 0.2) \times 10^{-5} $ である。
• ニュートリノの太陽内をの通過を、約10回の衝突を伴う短期間のブラウン運動としてモデル化し、左巻きと右巻きのヘリシティが反転することを示した。
• ニュートリノ-核子散乱の全断面積がエネルギーに依存しないと仮定し、全エネルギー範囲で衝突回数が一定であることを保証した。
• 1回の衝突あたりのエネルギー損失が $ \Delta\omega/\omega \simeq \omega/M $ に比例するため、ニュートリノが太陽を出る頃にはエネルギー分布がなだらかになる。
• エネルギー依存性のある断面積を考慮した上で、修正されたニュートリノスペクトルを統合して、さまざまな過程における有効フラックスを計算した。
• 理論的予測値を、$^{37}$Cl、$^{71}$Ga、$\nu_e e^-$、$\nu_e D$ の反応率について実験データと比較し、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ振動に依存せず、$^{37}$Cl、$^{71}$Ga、弾性散乱、重水素核の崩壊の観測された太陽ニュートリノフラックスを、1つの相互作用メカニズムで説明できるか？
• RQ2 太陽内での繰り返しのニュートリノ-核子衝突が、ニュートリノエネルギースペクトルとヘリシティ分布に与える影響は何か？
• RQ3 異なる過程における断面積のエネルギー依存性が、修正されたニュートリノスペクトルとどのように作用し、実験的反応率を再現するか？
• RQ4 観測された太陽ニュートリノデータと一致させるために、新しい半弱い相互作用の結合強度はどの程度必要か？
• RQ5 現在の振動に基づくモデルが、すべての太陽ニュートリノ過程の反応率を統一的かつパrameterizedで計算できないのはなぜか？

主な発見

• 理論的予測と実験データの間で良好な一致が得られ、$^{37}$Cl → $^{37}$Ar、$^{71}$Ga → $^{71}$Ge、$\nu_e e^-$ 散乱、$\nu_e D \to e^- pp$ の各過程で成立している。
• 太陽内でのニュートリノ-核子衝突の有効回数は約10回と推定され、観測されたスペクトルのなだらかさと整合的である。
• 結合定数の積 $ g_{\nu_e ps}g_{N ps}/4\pi $ は $ (3.2 \pm 0.2) \times 10^{-5} $ に決定され、電磁相互作用や弱い相互作用の結合定数と比べて著しく小さい。
• 1回の衝突あたりのエネルギー損失は $ \omega/M $ に比例し、太陽を出るニュートリノの総エネルギー損失は約0.3%に留まり、標準太陽モデルの理論的不確実性範囲内にある。
• 異なるエネルギー依存性を持つ断面積と修正されたニュートリノスペクトルの組み合わせにより、$^{8}$Bニュートリノの過程における有効フラックスの差が説明できる。
• 仮説は強く、偶然の一致の確率は無視できるほど低く、ニュートリノ振動とは異なる論理的で整合性のある代替説明を提供している。