[論文レビュー] Neutrino Mass Ordering in 2018: Global Status

P.F. de Salas, Stefano Gariazzo+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 80被引用数 19

ひとこと要約

2018年のレビューでは、ニュートリノ質量順序の世界的な状態を、振動および宇宙論的データのベイズ解析を用いて評価し、主にニュートリノ振動測定によって、通常順序のほうが反転順序よりも強く支持されている（3.5σ）という強力な証拠を得た。現在および将来の実験的プローブ、例えば原子炉、長基線、宇宙論的観測に加え、21 cm 宇宙論やリリックニュートリノ検出といった新規手法も概説されている。

ABSTRACT

The ordering of the neutrino masses is a crucial input for a deep understanding of flavor physics, and its determination may provide the key to establish the relationship among the lepton masses and mixings and their analogous properties in the quark sector. The extraction of the neutrino mass ordering is a data-driven field expected to evolve very rapidly in the next decade. In this review, we both analyze the present status and describe the physics of subsequent prospects. Firstly, the different current available tools to measure the neutrino mass ordering are described. Namely, reactor, long-baseline (accelerator and atmospheric) neutrino beams, laboratory searches for beta and neutrinoless double beta decays and observations of the cosmic background radiation and the large scale structure of the universe are carefully reviewed. Secondly, the results from an up-to-date comprehensive global fit are reported: the Bayesian analysis to the 2018 publicly available oscillation and cosmological data sets provides \emph{strong} evidence for the normal neutrino mass ordering versus the inverted scenario, with a significance of $3.5$ standard deviations. This preference for the normal neutrino mass ordering is mostly due to neutrino oscillation measurements. Finally, we shall also emphasize the future perspectives for unveiling the neutrino mass ordering. In this regard, apart from describing the expectations from the aforementioned probes, we also focus on those arising from alternative and novel methods, as 21~cm cosmology, core-collapse supernova neutrinos and the direct detection of relic neutrinos.

研究の動機と目的

• 最新の公開利用可能なデータを用いて、ニュートリノ質量順序の現在のグローバルな状態を評価すること。
• 通常順序と反転順序の間で、どちらの証拠が相対的に強いのかを評価すること。
• ニュートリノ質量階層を特定するための現在および将来の実験的プローブをレビューすること。
• 将来の質量順序決定に向けた、21 cm 宇宙論や直接的リリックニュートリノ検出といった新規・代替手法の可能性を検討すること。
• 今後10年間におけるニュートリノ質量順序の解明のための物理学的枠組みと展望を包括的に概説すること。

提案手法

• 2018年に公開された振動および宇宙論的データセットを用いて、ベイズ的グローバルフィットを実施すること。
• 原子炉ニュートリノ実験、長基線加速器および大気ニュートリノビーム、およびベータ崩壊およびノンゼロ二重ベータ崩壊探索の結果を統合すること。
• 宇宙マイクロ波背景放射および大規模構造観測からの制約を含めること。
• 統計的有意水準（σ単位）を用いて、通常順序と反転順序の間の好みの有意性を定量化すること。
• 異なる実験的プローブが質量順序の全体的証拠に与える寄与を評価すること。
• 今後の可能性を分析するために、現在および新興の手法（21 cm 宇宙論、超新星ニュートリノ検出など）の期待される感度を検討すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2018年のデータに基づく、通常順序と反転順序の間の現在のグローバル統計的証拠は何か？
• RQ2 どの実験的プローブがニュートリノ質量順序の決定に最も顕著に寄与しているか？
• RQ3 原子炉、長基線、および宇宙論的観測が、ニュートリノ質量階層をどのように共同で制約しているか？
• RQ4 21 cm 宇宙論や直接的リリックニュートリノ検出といった新規技術を用いて、ニュートリノ質量順序を解明する見通しはいかがなものか？
• RQ5 ラボでのベータ崩壊およびノンゼロ二重ベータ崩壊探索は、質量順序の決定にどのように寄与しているか？

主な発見

• 2018年のデータに対するベイズ解析により、通常ニュートリノ質量順序に強い証拠が得られ、有意水準は3.5標準偏差であった。
• 通常順序への好みは、主にニュートリノ振動測定によって駆動されており、宇宙論的データによるものではない。
• 原子炉ニュートリノ実験、長基線加速器および大気ニュートリノビーム、および宇宙論的観測が、すべて質量順序のグローバル制約に寄与している。
• 今後の見通しとして、振動物理学、ベータ崩壊、およびノンゼロ二重ベータ崩壊の分野における継続的および計画中の実験による感度向上が期待される。
• 21 cm 宇宙論や超新星ニュートリノ検出といった新規手法は、追加的かつ補完的な制約を提供すると予想される。
• リリックニュートリノの直接検出は長期的展望ではあるが、質量順序の決定に向けた有望な将来的な道筋とされている。