[論文レビュー] Neutrino properties from ultra-high energy cosmic neutrinos

Yanqi Huang, Bo-Qiang Ma|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、最新のニュートリノ混合パラメータを用いて、超高エネルギー宇宙ニュートリノ（UHECN）のフレーバー比を調査し、ニュートリノの性質を制限する。標準的混合の下で、アイスカウブ・データと両立する正常質量階層と逆質量階層の両方が、パイオン崩壊（1:2:0）およびミュオン減衰（0:1:0）源に対して成立するが、ニュートリノ線源（1:0:0）は不適切である。ニュートリノ崩壊のシナリオでは、逆質量階層およびデゲネレートした正常質量階層のケースが3σの範囲内で許容される。

ABSTRACT

Neutrino properties can be constrained by the detection of ultra-high energy cosmic neutrinos (UHECNs). By using the updated global fitting results of neutrino mixing parameters, we present predictions on the neutrino flavor ratios at the Earth from three possibly astrophysical sources. Comparing with the latest IceCube data, we find that the normal hierarchy (NH) and inverted hierarchy (IH) cases from the initial ratios $ϕ_{ν_e}^0:ϕ_{ν_μ}^0:ϕ_{ν_τ}^0=$1:2:0 and 0:1:0 are compatible with the data in the standard neutrino oscillation scenario. We also examine the neutrino flavor ratios in a neutrino decay scenario beyond the standard model, and introduce the special case that two mass eigenstates of neutrinos, i.e., $ν_1$ and $ν_2$, are degenerated. We find that the IH case and the degenerate NH case from the 1:2:0 and 0:1:0 sources are still permissible with the IceCube data within the $3σ$ error range. The general constraints only rely on the neutrino mixing and oscillation framework are also discussed.

研究の動機と目的

• アイスカウブの超高エネルギー宇宙ニュートリノ（UHECN）データを用いて、ニュートリノ質量階層とフレーバー比を制限すること。
• パイオン崩壊、ミュオン減衰、ニュートリノ線源といった異なる天体的源—それぞれ1:2:0、0:1:0、1:0:0—がアイスカウブの最新のフレーバー比測定とどの程度整合するかを評価すること。
• 特に、質量固有状態ν₁とν₂がデゲネレートしている場合に、標準模型を越えたニュートリノ崩壊のシナリオがアイスカウブのデータをどのように説明できるかを検討すること。
• 源の仮定に依存しない、ニュートリノ混合と振動フレームワークのみに基づいて、最終的なニュートリノフレーバー比に及ぼす一般的な制限を評価すること。

提案手法

• MINOS、ダヤベイ、T2Kを含む最近の実験から得られた、ニュートリノ混合パラメータ（θ₁₂、θ₂₃、θ₁₃、δ）の最新のグローバルフィッティング結果を用いる。
• ニュートリノの源から地球への伝播中に発生するフレーバー遷移確率を計算するために、Pontecorvo-Maki-Nakawaga-Sakata（PMNS）混合行列を適用する。
• 初期源比として1:2:0（パイオン崩壊）、0:1:0（ミュオン減衰）、1:0:0（ニュートリノ線源）の3つのケースについて、地球での最終的フレーバー比を評価する。
• 特に、ν₁とν₂がデゲネレートした質量固有状態である場合に注目した、非標準的シナリオ（ニュートリノ崩壊）を検討する。
• 理論的予測とアイスカウブの2015–2016年データを統計的に比較し、3σの信頼区間を用いて整合性を評価する。
• 初期フレーバー比と質量固有状態の分布が任意である一般ケースを分析し、混合パラメータのみに依存して最終的な比に及ぼす制限を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正常質量階層（NH）と逆質量階層（IH）の両方が、アイスカウブが測定したUHECNのフレーバー比と整合するか？
• RQ2 パイオン崩壊、ミュオン減衰、ニュートリノ線源といった異なる天体的源が、地球での最終的観測フレーバー比にどのように寄与するか？
• RQ3 標準模型を越えたニュートリノ崩壊シナリオは、特にν₁とν₂がデゲネレートしている場合にアイスカウブのデータを説明できるか？
• RQ4 源の仮定に依存しない、ニュートリノ混合と振動フレームワークのみで、最終フレーバー比にどの程度の制限を課せるか？

主な発見

• 1:2:0（パイオン崩壊）および0:1:0（ミュオン減衰）源の初期フレーバー比に対して、正常質量階層（NH）および逆質量階層（IH）の両方が、3σの信頼区間内でアイスカウブのデータと整合する。
• 初期比が1:0:0（ニュートリノ線源）のケースでは、NHおよびIHの両方において、予測されるフレーバー比がアイスカウブの3σ領域と重ならないため、不適切であるとされる。
• ニュートリノ崩壊のシナリオでは、IHケースおよびデゲネレートしたNHケース（ν₁とν₂がほぼデゲネレート）が、1:2:0および0:1:0源に対して3σの範囲内で許容される。
• 非デゲネレートなNHケースおよび1:0:0源からのデゲネレートNHケースは、データによって不適切とされる。これは、崩壊モデルに対する制限を示している。
• 特定の源を仮定しない場合でも、ニュートリノ混合と振動フレームワークのみで、最終フレーバー比に強い制限が課される。NHおよびIHケースの3σ領域はほぼ同一であり、比の三角形のわずかな部分にしかカバーしない。
• アイスカウブの最良適合点は、一般の3σ領域の外にあるため、標準模型との間に矛盾がある可能性を示しており、ニュートリノ混合と振動に加えて新しい物理の兆候である可能性がある。