[論文レビュー] Long-baseline neutrino experiments as tests for Lorentz violation

J. S. Díaz|ArXiv.org|Sep 29, 2009

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、エネルギー依存性およびサイデレアル変動を示す oscillation 確率のずれを分析することにより、長基準長ニュートリノ散乱実験をローレンツ対称性およびCPT対称性の破れの感受性の高いプローブとして用いる手法を提案する。標準模型拡張（SME）を用いてニュートリノ系におけるローレンツ対称性破れ係数をモデル化し、現在および将来の実験が、特にニュートリノおよび反ニュートリノモードにおける時間依存的非対称性を用いて、これらの係数を数個のオーダー改善して制約できることを示している。

ABSTRACT

Precise tests of Lorentz invariance can be executed using neutrino oscillations, which can provide sensitive measurements of suppressed signals of new physics. This talk describes the neutrino sector of the Standard-Model Extension, which represents a general modification of the Standard Model of massive neutrinos to include Lorentz and CPT violation. Attainable sensitivities as well as a framework to search for these violations are presented for existing and future long-baseline neutrino experiments. The applicability of this framework to short-baseline experiments is also discussed.

研究の動機と目的

• 標準模型拡張（SME）を用いて、ニュートリノ散乱におけるローレンツ対称性およびCPT対称性の破れを検証する理論的枠組みを構築すること。
• 現在および将来の長基準長ニュートリノ実験が、ニュートリノ系におけるローレンツ対称性破れ係数に対してどの程度の感度を持つのかを定量化すること。
• ニュートリノおよび反ニュートリノモードにおける時間依存的非対称性を用いて、CPT奇・CPT偶の信号を検出可能にする手法を提供すること。
• 時間平均化非対称性を用いて、ローレンツ対称性破れ係数の実部を分離する手法を提供し、運動量・エネルギー依存性に起因する課題を克服すること。

提案手法

• ローレンツ対称性およびCPT対称性の破れをニュートリノ系にモデル化するためのSMEに基づく形式的枠組みを構築し、係数 (a_L)^α および (c_L)^αβ を用いた有効ハミルトニアン補正を導入する。
• ニュートリノの4元運動量 p_α ≈ E(1; -p̂) を組み込むことで、散乱確率における方向およびエネルギー依存性を導入する。
• 地球の自転に伴う時間依存有効ハミルトニアンを用いて、サイデレアル変動を示す散乱確率を導出し、それを地球の自転に伴う正弦関数として表現する。
• 長基準長実験における異なる L-E 範囲に対応するため、摂動的および質量なし近似を適用する。
• CPT非対称性、例えば 𝒜^CPT_μτ を構築し、エネルギーおよび運動量依存パラメータを用いてCPT奇寄与を探索する。
• サイデレアル分解を用いて、時間平均非対称性から (a_L)^T および (a_L)^Z の係数を抽出し、通常は測定困難な成分への感受性を高める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長基準長ニュートリノ実験は、どのようにニュートリノ系におけるローレンツ対称性破れ係数を検証できるか？
• RQ2 地球の自転は、ニュートリノ散乱におけるローレンツ対称性破れ信号の検出可能性にどのような影響を及えるか？
• RQ3 CPT対称性破れ係数は、ニュートリノと反ニュートリノの散乱非対称性にどのように現れ、実験的にどのように分離可能か？
• RQ4 現在および将来の実験がローレンツ対称性破れ係数に対してどの程度の感度を持つのか、また既存の制約と比較してどうか？
• RQ5 ニュートリノおよび反ニュートリノモードにおける時間平均非対称性は、通常は観測困難なローレンツ対称性破れ係数にアクセス可能か？

主な発見

• T2K、NOνA、DUSEL などの長基準長実験は、現在の制約よりも数個のオーダー改善された感度を、ローレンツ対称性破れ係数に対して示す。
• 地球の自転に起因する、固定されたローレンツ対称性破れ係数に対するニュートリノ伝搬方向の変化が、散乱確率のサイデレアル変動を引き起こす。
• 𝒜^CPT_μτ などのCPT非対称性はエネルギーおよび運動量依存性を示し、CPT対称性破れパラメータに対する量子場理論の期待と整合的である。
• 時間平均化CPT非対称性により、(a_L)^T および (a_L)^Z の実部にアクセス可能となり、それらが振動的性質を持つため通常は制約が困難である。
• 2つのローレンツ対称性破れ係数と1つのニュートリノ質量を組み合わせたタンドムモデルは、MiniBooNEの低エネルギー過剰を観測する前から正確に予測でき、予測力の高さを示している。
• このフレームワークは長基準長実験および短基準長実験の両方へ適用可能であり、基準長およびエネルギーに応じて異なる感受性プロファイルを示す。