[論文レビュー] Neutrino masses from the GSI anomaly

A. N. Ivanov, E. Kryshen+2 more|ArXiv.org|Apr 8, 2008

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、重いイオンの強いクーロン場内における仮想の電荷を帯びたレプトン–W⁺ボソン対からのニュートリノ質量補正が、GSIの電子捕獲崩壊の周期的変調から抽出されたニュートリノ質量平方差（2.18×10⁻⁴ eV²）とKamLANDの値（7.59×10⁻⁵ eV²）との間の2.9倍の乖離を説明すると提案している。計算された質量補正により、GSIの結果はグローバルなニュートリノデータと整合し、ニュートリノ質量は約0.11–0.12 eV程度となり、宇宙論的制約と整合的である。

ABSTRACT

We investigate the influence of the strong Coulomb field of a heavy nucleus on massive neutrinos, produced in the K-shell electron capture (EC) decays of the H-like 140Pr58+ and 142Pm60+ ions. The corrections to the neutrino masses due to virtually produced charged lepton W-boson pairs in the strong Coulomb field of a nucleus with charge Ze are calculated and discussed with respect to their influence on the period of the time-modulation of the number of daughter ions, observed recently in the EC-decays of the H-like 140Pr58+ and 142Pm60+ ions at GSI in Darmstadt. These corrections explain the 2.9 times higher difference of the squared neutrino masses obtained from the time-modulation of the EC-decays with respect to the value deduced from the antineutrino-oscillation experiments of KamLAND.

研究の動機と目的

• GSIのH型の¹⁴⁰Pr⁵⁸⁺および¹⁴²Pm⁶⁰⁺イオンの時間的変調を持つ電子捕獲崩壊から抽出されたニュートリノ質量平方差（Δm²₂₁）と、KamLANDの太陽ニュートリノ実験から得られる値との乖離を解消すること。
• 娘イオンの強いクーロン場内での仮想のW⁺ボソンおよび電荷を帯びたレプトン（e⁻, μ⁻, τ⁻）対の生成が、ニュートリノ質量に測定可能な補正を引き起こすかどうかを調査すること。
• これらの場による質量補正を組み込むことで、GSIの崩壊率変調周期（T_EC ≈ 7 s）を標準模型のΔm²₂₁値と一致させること。
• 宇宙論的上限によるニュートリノ質量の合計値の制約と整合する絶対的ニュートリノ質量を推定すること。

提案手法

• 著者らは、弱い相互作用のラグランジアンとフェルミ結合定数G_Fを用いて、電荷Z eの核のクーロン場内における仮想の電荷を帯びたレプトン–W⁺対生成による、各ニュートリノ質量固有状態ν_jの質量補正δm_j(r)を計算している。
• 相対論的量子力学から導かれた強いクーロン場内での電荷を帯びたレプトンのエネルギー依存性グリーン関数を用い、質量シフトを引き起こす行列要素M_ℓ(r)を計算している。
• 全質量補正δm_j(r)は、すべての電荷を帯びたレプトンのフレーバーℓ（e⁻, μ⁻, τ⁻）について、ユニタリなニュートリノ混合行列要素U_jℓおよびU*ℓjで重み付けした和として得られる。
• 修正された質量平方差（m₂ + δm₂）² − （m₁ + δm₁）²を用いて、再び崩壊率変調周期T_ECを再計算し、観測された7.06 sと一致させている。
• 解析的扱いやすさのため、第二階層の項（δm_j）²を無視しており、混合角θ₁₂ = 34°およびθ₂₃ = 45°を用いている。
• 重いニュートリノ質量m₃は、既知のΔm²₃₂ = 2.4×10⁻³ eV²および修正されたm₁, m₂の値を用いて推定されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GSIの電子捕獲崩壊実験で観測された2.9倍高いΔm²₂₁は、強いクーロン場内でのニュートリノ質量の放射補正によって説明可能か？
• RQ2 重いイオンのクーロン場内での仮想のℓ⁻W⁺対生成が引き起こすニュートリノ質量補正の大きさとフレーバー依存性は何か？
• RQ3 これらの補正を組み込むことで、GSIから抽出されたΔm²₂₁がグローバルにフィッティングされたKamLANDの値（7.59×10⁻⁵ eV²）と整合するか？
• RQ4 修正されたΔm²₂₁と宇宙論的制約と整合する絶対的ニュートリノ質量は何か？
• RQ5 Z⁰ボソン交換の寄与は、W⁺ボソン交換に比べてどれほど顕著か？

主な発見

• 仮想のe⁻, μ⁻, τ⁻対によるクーロン場内での影響により、電子ニュートリノ質量の補正はδm₁(R) = −14.74×10⁻⁴ eV、ミューオンニュートリノ質量の補正はδm₂(R) = −8.22×10⁻⁴ eVである。
• これらの場による補正により、GSIで得られた質量平方差（Δm²₂₁)_GSIは、KamLANDの値（Δm²₂₁)_KL = 7.59×10⁻⁵ eV²と整合する。
• 絶対的ニュートリノ質量はm₁ = 0.11 + 4.26×10⁻⁴ eV、m₂ = 0.11 + 0.82×10⁻⁴ eV、m₃ = 0.12 + 8.05×10⁻⁴ eVとして計算された。
• ニュートリノ質量の合計は∑m_j = 0.34 eVであり、宇宙論的上限∑m_j < 1 eVと整合的である。
• Z⁰ボソン交換による補正は、混合角の実験的不確実性に比べて無視できるほど小さく、Z⁰寄与を省略することが正当化される。
• 修正されたニュートリノ質量を用いることで、GSIのEC崩壊で観測された7.06 sの変調周期が成功裏に説明され、長年の乖離が解消された。