[論文レビュー] Neutrino masses and mixings and...

Алессандро Струмиа, Francesco Vissani|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2006

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用数 236

ひとこと要約

本稿は、電子および核子密度に起因する物質ポテンシャルが、地球および太陽内でのニュートリノ振動にどのように影響するかを調査する。弱い相互作用から導かれる有効ハミルトニアンを用い、ニュートリノのフレーバー遷移がフレーバー依存の屈折率に起因して変化し、共鳴的増幅（MSW効果）を示すことを示す。主な結果は、CP対称性の破れの位相およびニュートリノ質量階層に依存する。

ABSTRACT

We review the main experimental and theoretical results related to neutrino physics and outline possible lines of developement. The main topics covered are: neutrino masses, oscillations, solar and atmospheric evidences, the LSND/MiniBoone, HM, NuTeV anomalies, future oscillation experiments, beta and 0nu2beta decays, leptogenesis, supernovae, astrophysics, cosmology, flavour models, RGE corrections, violations of lepton flavor in charged leptons, statistics.

研究の動機と目的

• 物質（特に電子および核子）の存在がニュートリノの伝播およびフレーバー振動に与える影響を理解すること。
• 通常の物質内におけるニュートリノの有効物質ポテンシャルハミルトニアンを導出すること。この際、ディラック型とマヨラナ型のケースを区別すること。
• 物質がニュートリノ振動確率に与える影響を分析すること。特に長基線および太陽ニュートリノの状況を対象とする。
• CP対称性の破れ位相が、物質によって修正された振動において果たす役割を検討すること。特に平均化および共鳴領域での振るまいに注目する。
• 超相対論的ニュートリノにおいて、真空中と物質中での振動ダイナミクスが、ディラック型・マヨラナ型の区別なく同一であることを明確にすること。

提案手法

• ZおよびWボソンを介した前向き散乱を用いて、物質内におけるニュートリノ伝播の有効ハミルトニアンを導出。これにより、フレーバー依存の物質ポテンシャルが得られる。
• 電子および核子の数密度を用いて、物質ポテンシャル行列Aを計算。弱い混合角およびフェルミ結合定数を含む。
• ニュートリノの物質中での進化を記述するため、有効ハミルトニアン H = (m·m†)/(2E) + A を適用。ここでAは式 (3.15) で与えられる。
• ニュートリノフレーバー状態の時間発展方程式 i dν/dx = H ν を、生成条件から出発して解く。
• ディラック型およびマヨラナ型ニュートリノを両方検討し、超相対論的極限において分散関係および振動ダイナミクスが同一であることを示す。
• CP位相が平均化および共鳴領域における生存確率に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球および太陽内での物質ポテンシャルが、異なるニュートリノフレーバーの振動確率にどのように影響するか？
• RQ2 長基線状況において、物質によって修正されたニュートリノ振動におけるCP対称性の破れ位相φの役割は何か？
• RQ3 なぜ超相対論的極限において、物質内でのニュートリノ振動はディラック型とマヨラナ型で区別されないのか？
• RQ4 電子および核子の密度が、式 (3.15) の有効物質ポテンシャルAにどのように寄与するか？
• RQ5 太陽および大気ニュートリノ振動が、物質中で平均化または共鳴的に増幅される条件は何か？

主な発見

• 式 (3.15) における物質ポテンシャルAはフレーバー対角であり、電子および中性子の数密度に依存する。A = √2 G_F [N_e diag(1,0,0) - N_n/2 diag(1,1,1)] と表される。
• 長基線では、太陽および大気ニュートリノ振動の両方が平均化され、生存確率はCP位相φにのみ依存する。
• 短基線では、太陽振動は観測不能（S_12 ≈ 0）であり、大気振動は平均化される（⟨S_23⟩ ≈ 1/2）。
• ディラック型およびマヨラナ型ニュートリノの両方において、物質中での分散関係は p ≈ E - (mm†)/(2E) - A と表され、超相対論的極限では同一の振動ダイナミクスを示す。
• MSW効果は、Wボソンの交換に起因するフレーバー依存の屈折率に起因し、密度勾配がある場合に共鳴的増幅が可能である。
• 反ニュートリノはハミルトニアンにおける m → m* に置き換えることで記述され、ニュートリノとは逆の物質ポテンシャルの振るまいを示す。