[論文レビュー] Neutrinos Are Nearly Dirac Fermions

Kévin Cahill|ArXiv.org|Dec 20, 1999

Neutrino Physics Research参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ニュートリノが純粋なディラックフェルミオンに非常に近い性質を示し、わずかなディラック性からの逸脱（sin(x_nu) ≈ 0.003）を持つことを提案する。このモデルにより、小さなニュートリノ質量差とニュートリノ無双ベータ崩壊の抑制を自然に説明できる。6×6の複素対称質量行列とタカギの分解を用い、B-L保存則がほぼ degenerate なニュートリノ質量対を生じさせることを示し、太陽、大気、炉実験のデータに適合しながら、最小限のフレーバー振動確率と宇宙論的関連性を予測する。

ABSTRACT

Neutrino masses and mixings are analyzed in terms of left-handed fields and a 6x6 complex symmetric mass matrix whose singular values are the neutrino masses. An angle x_nu characterizes the kind of the neutrinos, with x_nu = 0 for Dirac neutrinos and x_nu = pi/2 for Majorana neutrinos. If x_nu = 0, then baryon-minus-lepton number is conserved. When x_nu is approximately zero, the six neutrino masses coalesce into three nearly degenerate pairs. Thus the smallness of the differences in neutrino masses exhibited in the solar and atmospheric neutrino experiments and the stringent limits on neutrinoless double beta decay are naturally explained if B-L is approximately conserved and neutrinos are nearly Dirac fermions. If one sets sin(x_nu) = 0.003, suppresses inter-generational mixing, and imposes a quark-like mass hierarchy, then one may fit the essential features of the solar, reactor, and atmospheric neutrino experiments with otherwise random mass matrices in the eV range. This B-L model leads to these predictions: neutrinos oscillate mainly between flavor eigenfields and sterile eigenfields, and so the probabilities of the appearance of neutrinos or antineutrinos are very small; neutrinos may well be of cosmological importance; in principle the disappearance of the tau neutrino should be observable; and neutrinoless double beta decay is suppressed by an extra factor of < 10^(-5) and hence will not be seen in the Heidelberg/Moscow, IGEX, GENIUS, or CUORE experiments.

研究の動機と目的

• 太陽および大気ニュートリノ実験で観測された小さな質量差を説明すること。
• ニュートリノ無双ベータ崩壊に対する厳密な実験的制限を説明すること。
• 観測されたニュートリノ振動を、近似的なB-L対称性に基づく理論的枠組みと調和させること。
• ほぼディラックニュートリノのLepton数違反の抑制が及ぼす宇宙論的意義を調査すること。
• クォークに類似した階層と最小限の世代間混合を持つランダムな質量行列を用いた、実験的に妥当なモデルを提供すること。

提案手法

• 6つの左手スピンニュートリノ場を記述するため、6×6の複素対称質量行列を用いる。この行列の特異値がニュートリノ質量に対応する。
• 角度x_nuは、純粋なディラック性（x_nu = 0）からメジャノス性（x_nu = π/2）への逸脱をパラメータ化する。sin(x_nu) ≈ 0.003 は、ほぼディラック的挙動を示す。
• タカギの分解を適用し、質量行列を分解することで物理的ニュートリノ状態（ステアリング成分を含む）を導出する。
• B-L保存則（x_nu ≈ 0）を仮定することで、自然にほぼ degenerate な質量対が得られ、小さな質量差を自然に説明できる。
• モデルはバートルのニュートリノフラックスを組み込み、太陽、大気、LSND、KARMEN2、ニュートリノ無双ベータ崩壊実験のデータに適合する。
• CP対称性の破れはこの枠組み内で取り扱われ、得られた質量スペクトルと混合構造を用いて宇宙論的意義が分析される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽および大気ニュートリノ実験で観測された小さな質量差は、ディラックニュートリノ挙動からのわずかな逸脱によって自然に説明可能か？
• RQ2 近似的なB-L保存則は、現在の実験的制限と整合的であるニュートリノ無双ベータ崩壊の自然な抑制をもたらすか？
• RQ3 クォークに類似した階層と最小限の世代間混合を持つランダムな6×6質量行列は、太陽、大気、炉ニュートリノデータの主要な特徴を再現可能か？
• RQ4 ニュートリノがほぼディラックフェルミオンであり、主にステアリング状態と混合する場合、ニュートリノ振動確率にどのような影響を与えるか？
• RQ5 ほぼディラックニュートリノは、特に残余密度と構造形成における役割に関して、宇宙論的にどのような意義を持つか？

主な発見

• sin(x_nu) ≈ 0.003 の条件下で、6つのニュートリノ質量は3つのほぼ degenerate な対に統合され、太陽および大気ニュートリノ実験で観測された小さな質量差を自然に説明する。
• ニュートリノ振動は、主にフレーバー固有状態とステアリング固有状態の間の遷移によって支配され、活性ニュートリノまたは反ニュートリノの出現確率が極めて低くなる。
• ニュートリノ無双ベータ崩壊は10^(-5)未満の要因で抑制され、ヘイデルベルク/モスクワ、IGEX、GENIUS、CUOREなどの現在および計画中の実験でも検出不可能である。
• モデルは、タウニュートリノの消失が原理的に観測可能であると予測しており、検証可能なシグネチャを提供する。
• ほぼ degenerate な質量対と抑制されたレプトン数違反は、ニュートリノがダークマターの寄与や宇宙構造形成に顕著な宇宙論的役割を果たす可能性を示唆する。
• eVスケールの質量範囲における、さもなければランダムな質量行列を用いても、太陽、大気、LSND、KARMEN2、ニュートリノ無双ベータ崩壊の主要な特徴を成功裏に適合させる。