[論文レビュー] Neutrino Spectroscopy with Atoms and Molecules

Atsushi Fukumi, Susumu Kuma+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、原子・分子系におけるニュートリノ対のマクロなコherent放射（RENP）を用いたニュートリノ質量分光法の新規手法を提案する。レーザー駆動の集団的脱励起を活用し、微弱な信号を増幅する。光子スペクトルの形状を測定することで、ニュートリノ質量、質量階層、CP対称性破れ位相を特定可能であり、これによりメジャナウ性や宇宙における軽子非対称性の解明が可能となる。

ABSTRACT

We give a comprehensive account of our proposed experimental method of using atoms or molecules in order to measure parameters of neutrinos still undetermined; the absolute mass scale, the mass hierarchy pattern (normal or inverted), the neutrino mass type (Majorana or Dirac), and the CP violating phases including Majorana phases. There are advantages of atomic targets, due to the closeness of available atomic energies to anticipated neutrino masses, over nuclear target experiments. Disadvantage of using atomic targets, the smallness of rates, is overcome by the macro-coherent amplification mechanism. The atomic or molecular process we use is a cooperative deexcitation of a collective body of atoms in a metastable level |e> emitting a neutrino pair and a photon; |e> -> |g> + gamma + nu_i nu_j where nu_i's are neutrino mass eigenstates. The macro-coherence is developed by trigger laser irradiation. We discuss aspects of the macro-coherence development by setting up the master equation for the target quantum state and propagating electric field. With a choice of heavy target atom or molecule such as Xe or I_2 that has a large M1 x E1 matrix element between |e> and |g>, we show that one can determine three neutrino masses along with the mass hierarchy pattern by measuring the photon spectral shape. If one uses a target of available energy of a fraction of 1 eV, Majorana CP phases may be determined. Our master equation, when applied to E1 x E1 transition such as pH_2 vibrational transition Xv=1 -> 0, can describe explosive PSR events in which most of the energy stored in |e> is released within a few nanoseconds. The present paper is intended to be self-contained explaining some details related theoretical works in the past, and further reports new simulations and our ongoing experimental efforts of the project to realize the neutrino mass spectroscopy using atoms/molecules.

研究の動機と目的

• ニュートリノの基本的パラメータ—絶対的質量スケール、質量階層、メジャナウ/ディラック性、CP位相—を、振動実験では解明されていないものとして取り扱う。
• 集団的原子・分子系におけるマクロなコherencyを活用し、ニュートリノ検出における極めて低いイベントレートの課題を克服する。
• XeおよびI2を標的にして、放出光子のスペクトル解析によりニュートリノ性質を調べる、テーブルトップ実験の構築を目的とする。
• メジャナウのCP位相を数パーセントの精度で測定可能とし、バリオゲネシスの理解に不可欠となる。
• 量子系におけるRENPおよびペアドスーパーラディアンス（PSR）の自己完結的理論的・実験的枠組みを確立する。

提案手法

• 2色レーザー駆動を用いて、準安定な原子・分子系集合体におけるマクロなコherent二光子遷移を誘発し、集団的脱励起を実現：|e⟩ → |g⟩ + γ + νiνj。
• デコherenceおよび崩壊効果を含む、Blochベクトル（スピン極化と励起状態の人口差）と電場の結合したマスター方程式を構築する。
• スペクトル発生率を、Γ₀ × I(ω) × D(t) の要因分解形として導出する。ここでΓ₀は全発生率、I(ω)はスペクトル形状、D(t)は時間依存動的要因である。
• マスター方程式の静的極限を用いて漸近的動的要因を計算し、マクロなコherency下で電場凝縮が形成されることを示す。
• RENP信号強度を向上させるために、M1×E1行列要素が大きな物質（例：Xe, I2, N@C60）を最適化する。
• パラ水素やN@C60のような系におけるPSRダイナミクスをシミュレーション・モデル化し、ナノ秒スケールでの超高速エネルギー放出を実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子・分子系におけるマクロなコherent RENPは、絶対的ニュートリノ質量スケールを特定し、通常階層と逆階層を区別できるか？
• RQ2 放出光子のスペクトル形状I(ω)は、3つのニュートリノ質量を解明し、ニュートリノのメジャナウ性を特定できるか？
• RQ3 RENP発生率の比較による実験的精度で、メジャナウのCP位相を数パーセントレベルで測定可能か？
• RQ4 集団的原子系におけるマクロなコherencyはどのように発展するのか？また、2光子遷移のレーザー駆動プロセスは、それを維持する役割を果たすか？
• RQ5 N@C60やI2分子のような凝縮相系は、長寿命のコherencyと高い信号レートを実現し、RENP検出に適しているか？

主な発見

• Xeの全発生率Γ₀は、n = 10²² cm⁻³およびV = 10² cm³の場合、約1 Hzと推定され、マクロなコherency下では検出可能となる。
• スペクトル形状関数I(ω)は3つのニュートリノ質量を符号化しており、通常階層と逆階層の区別が可能である。
• 漸近的動的要因D(t)は、電場凝縮の形成により最大値に達し、静的極限下で効率的なエネルギー抽出が可能となる。
• 約1 eVの利用可能エネルギーを持つ標的にて、理論的不確実性が数パーセントレベルでメジャナウCP位相を探索可能となる。
• シミュレーションにより、パラ水素およびN@C60におけるPSRは、約ナノ秒スケールで蓄えられたエネルギーを放出することが確認され、爆発的放射ダイナミクスと整合的である。
• リサイクルHPLCを用いて、約10¹⁴分子の純化N@C60試料が正常に分離され、EPRおよびUV-visデータにより電子構造の完全性と長寿命コherencyが確認された。