[論文レビュー] Is nonstandard interaction a solution to the three neutrino tensions?

Shinya Fukasawa, Monojit Ghosh+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2016

Neutrino Physics Research被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、ニュートリノ伝播における非標準的相互作用（NSI）が、ニュートリノ振動データにおける3つの主要な矛盾を解消できると提案している。具体的には、太陽・KamLANDデータにおける非標準パラメータの非ゼロ最適適合値、NOνAによるθ₂₃の非最大値（T2Kの最大混合と矛盾）、および反応炉実験とT2K実験におけるθ₁₃測定値の不一致である。著者らは、ニュートリノ質量順序が正で、θ₂₃ = 45°、sin²θ₁₃ = 0.021、およびδ_CP ≈ 255°のディラックCP位相を仮定した場合、NSIがすべての3つの異常を標準模型よりもよく説明できることを示している。

ABSTRACT

In this work we present a scenario in which a nonstandard interaction in neutrino propagation can explain the three major tensions in the neutrino oscillation data at present. These tensions are: (i) a non-zero best-fit value of the non-standard oscillation parameters in the the global analysis of the solar and KamLAND data which rules out the standard oscillation scenario at $90\%$ C.L, (ii) the measurement of the non-maximal value of $θ_{23}$ by NO$ν$A which excludes the maximal mixing at $2.5 σ$ C.L. and (iii) a discrepancy in the $θ_{13}$ measurement by T2K which has a tension with the reactor best-fit value of $\sin^2θ_{13}=0.021$ at $90\%$ C.L. Our results show that all these three above mentioned anomalies can be explained if one assumes the existence of the non-standard interactions in neutrino propagation with $θ_{23}=45^\circ$ and $\sin^2θ_{13}=0.021$ in the case of normal hierarchy. In our scenario the phase of $ε_{eτ}$ is zero and the most favorable value of the Dirac CP phase is approximately $255^\circ$.

研究の動機と目的

• 太陽、長基線（T2K、NOνA）、および反応炉実験からのニュートリノ振動データにおける継続的な矛盾を解決すること。
• ニュートリノ伝播におけるフレーバー依存の非標準的相互作用（NSI）が、これらの3つの異常を同時に解消できるかどうかを調査すること。
• 標準模型よりも良い適合を得るためのNSIパラメータとディラックCP位相の好ましい値を特定すること。
• 現在の実験的制約下でのNSIシナリオの妥当性と、将来の検証可能性を評価すること。

提案手法

• 次元のない結合定数ε_αβを用いた有効ラグランジアンを通じて、フレーバー依存のニュートリノ中性流NSIを導入。フェルミ定数で正規化されている。
• 電子密度とNSIパラメータに依存するNSIハミルトニアン行列Aを含む、修正されたディラック方程式を用いてニュートリノの進化をモデル化。
• 太陽およびKamLANDデータのグローバルフィットを通じて、最適適合NSIパラメータ（ε_D = -0.14、ε_N = -0.03）を抽出し、その後T2KおよびNOνAデータと照合。
• 90%信頼水準で適合度を評価するため、標準模型とNSIシナリオの間でδ_CPの異なる値に対してχ²比較を実施。
• T2K、NOνA、および太陽+KamLANDデータが2σ信頼水準内で整合するように、パラメータ空間を制約。
• 太陽データの最適適合に基づき、ε_eτの位相をゼロに固定し、最適値を特定するためにディラックCP位相をスキャン。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ伝播における非標準的相互作用が、ニュートリノ振動データにおける3つの主要な矛盾を同時に解消できるか？
• RQ2 NSIパラメータ（ε_αβ）とディラックCP位相（δ_CP）のどの値が、グローバルデータに対して標準模型よりも良い適合を得るか？
• RQ3 正のニュートリノ質量順序が、NSIシナリオにおいて反転順序よりもより適合するか？
• RQ4 ε_eτの位相が矛盾の解消に重要な役割を果たしており、ゼロに制約されるか？
• RQ5 NSIの導入が、太陽、反応炉、および長基線ニュートリノ実験の適合度にどのように影響するか？

主な発見

• 正の質量順序において、NSIシナリオはδ_CPのすべての値で標準模型よりもデータに適合が良く、太陽+KamLANDデータのχ²が3.8減少した。
• 最適適合ディラックCP位相は約255°であり、正の質量順序におけるNSIシナリオで最小のχ²を達成した。
• ε_eτの位相はゼロに制約され、最も好ましいNSIパラメータはε_ee = 0.84885、ε_eτ = 0.12863、ε_ττ = 0.008950、|ε_eμ| = 0.00092689、およびε_μτ = -0.0067963である。
• 太陽+KamLANDデータからのグローバル最適適合点は、正の質量順序においてT2KおよびNOνAデータと2σ信頼領域内で整合している。
• 反転質量順序では、NSIシナリオが標準模型よりも良い適合を得られないため、この枠組みにおいて正の質量順序が強く支持される。
• 将来のHyper-Kamiokande観測では、太陽ニュートリノの昼夜効果および大気ニュートリノの物質効果を通じて、NSIシナリオをテストできる可能性がある。