[論文レビュー] Impact of Matter Density Profile Shape on Non-Standard Interactions at DUNE

A. Chatterjee, F. Kamiya+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 36被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) における非標準的ニュートリノ相互作用 (NSI) の感度に、地球の物質密度プロファイルの変動が与える影響を調査する。解析的および数値的手法を用いて、特に複素位相 $φ_{e\tau}$ を含む特定の NSI パラメータにおいて、物質プロファイルの違いが $ν_e$ 表現チャンネルで最大 30–40σ のイベントレート差を引き起こすことが示され、NSI 発見可能性に顕著な影響を与える。

ABSTRACT

We discuss the impact of matter density profile shape on the determination of nonstandard neutrino matter interactions (NSI) in the context of the long baseline accelerator experiments such as Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). The primary scientific goals of DUNE are to determine the neutrino mass hierarchy, the leptonic CP violation phase, and the existence of new physics beyond the standard model of particles. Here we study the role of different earth matter density profiles on the question of observing standard oscillation as wells as NSI at DUNE. We consider two different earth matter density profiles which are relevant for the DUNE baseline. We first discuss the impact of matter on both appearance and disappearance oscillation channels, then we demonstrate the effect of different matter density profiles on the determination of NSI. We consider four different scenarios of NSI and elucidate the effect at the oscillation probability and measurement of number of events at DUNE. In one case of study we show that a nonstandard complex phase $ϕ_{eτ}$ could significantly increase the sensitivity to different matter distributions along the baseline.

研究の動機と目的

• DUNE における非標準的ニュートリノ相互作用 (NSI) の検出に、異なる地球物質密度プロファイルが与える影響を評価すること。
• 物質密度プロファイルの不確実性が、NSI パrameter 測定の誤解釈を引き起こす可能性があるかどうかを評価すること。
• どの NSI シナリオにおいて物質プロファイルの選択がイベントレート予測にとって重要になるかを特定すること。
• 非標準的位相 $\phi_{e\tau}$ が、プロファイル間の感度差を強化する役割を果たすかを調査すること。
• NSI とニュートリノ質量階層測定におけるデゲネラシーを解消するため、正確な物質密度モデリングの必要性を明確にすること。

提案手法

• 本研究では、PREM (Preliminary Reference Earth Model) と SR (Simplified Reference model) の2つの異なる物質密度プロファイルを用いて、DUNE におけるニュートリノ振動確率を計算する。
• 標準的振動パラメータに加え、NSI パrameter ($\varepsilon_{\alpha\beta}$) を含む、出現および消滅チャンネルの確率に関する解析的式を導出する。
• ハミルトニアン形式を用いて、コherentなフォワード散乱に起因する有効ポテンシャルを含めた物質中でのニュートリノ伝播をモデル化する。
• 異なる NSI シナリオおよび物質プロファイルに対する DUNE 検出器におけるイベントレートをシミュレーションし、$\Delta N / \sigma$ を用いて統計的有意性を定量化する。
• イベント数の不確実性は $\sigma = \sqrt{\sigma_{\text{PREM}}^2 + \sigma_{\text{SR}}^2}$ として計算され、プロファイル依存のずれを比較可能にする。
• エネルギー領域ごとに $\Delta N / \sigma$ の比を計算することで感度を評価し、プロファイル間の高区別性を示す領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる地球物質密度プロファイルが、DUNE におけるニュートリノ出現および消滅チャンネルの予測イベントレートにどのように影響を与えるか？
• RQ2 非標準的相互作用 (NSI) が、物質密度プロファイルの不確実性に対する感度をどの程度強化するか？
• RQ3 どの NSI パrameter シナリオにおいて、PREM と SR プロファイル間のイベントレート差が最も顕著に現れるか？
• RQ4 非標準的位相 $\phi_{e\tau}$ が、NSI 測定における物質プロファイル効果の検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 物質プロファイルの不確実性が、質量階層決定の文脈において、誤った解釈やデゲネラシーを引き起こす可能性があるか？

主な発見

• 表2のケース3（$\varepsilon_{e\mu}$ と $\varepsilon_{e\tau}$ を含む）において、2–3 GeV の正規質量階層下で $ν_e$ 表現チャンネルにおける PREM と SR 物質プロファイル間のイベント数差が最大 30–40~\sigma に達する。
• 物質プロファイル差に対する感度は、$\phi_{e\tau} \approx \pi/3$ のときピークに達し、$\Delta N / \sigma \approx 38$ となる。これは NSI 位相に強く依存することを示している。
• 一方、$\phi_{e\tau} \approx -\pi/3$ のとき、$\Delta N \approx 0$ となり、近似的にキャンセル効果が生じ、プロファイル感度が隠蔽される。
• 正規および逆質量階層の両方において、約 2.5 GeV での $\nu_\mu$ 消滅チャンネルで $|\Delta N| \approx 4\sigma$ が観測され、測定可能ではあるが、それほど顕著ではない差が示された。
• 本研究では、物質密度プロファイルの不確実性が NSI 感度に顕著に影響することを確認した。特に、非対角 NSI パラメータが非ゼロの場合は顕著である。
• 結果は、NSI パラメータの決定におけるデゲネラシーを回避し、信頼性の高い発見主張を実現するため、正確な物質密度モデリングが不可欠であることを強調している。