[論文レビュー] Neutrinos: Fast & Curious

Gabriela Barenboim|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 22被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、ニュートリノ質量および混合の発見をレビューし、非ゼロ質量の証拠であるニュートリノ振動が、標準模型に挑戦し、新しい物理学の道を開く仕組みを説明する。スイーパ・メカニズム、PMNS行列によるレプトン混合、マヨラナ・ニュートリノ対するディラック・ニュートリノ、CP対称性の破れ、および宇宙論的・標準模型を超える物理学的関連性についても検討する。

ABSTRACT

The Standard Model has been effective way beyond expectations in foreseeing the result of almost all the experimental tests done up so far. In it, neutrinos are massless. Nonetheless, in recent years we have collected solid proofs indicating little but non zero masses for the neutrinos (when contrasted with those of the charged leptons). These masses permit neutrinos to change their flavor and oscillate, indeed a unique treat. In these lectures, I discuss the properties and the amazing potential of neutrinos in and beyond the Standard Model.

研究の動機と目的

• 非ゼロニュートリノ質量の実験的発見とそれによるニュートリノ振動現象を説明すること。
• PMNS行列によるレプトン混合の理論的枠組みを検討し、ニュートリノのフレーバー遷移に与える影響を明らかにすること。
• ニュートリノ質量の小ささを説明するためのスイーパ・メカニズムを検討し、重い右巻きニュートリノとの関連を明らかにすること。
• ニュートリノ物理学における未解決問題、特にニュートリノの性質（マヨラナ対するディラック）、CP対称性の破れ、バリオジェネシスおよびダークマターとの関連を検討すること。
• ニュートリノが宇宙論に果たす役割と、加速器および今後の実験における新しい物理学の可能性を評価すること。

提案手法

• ニュートリノ質量固有状態（νi）の重ね合わせとしてのフレーバー固有状態（να）を記述するため、PMNS行列（U_PNMS）を用い、振幅をU*αiで表す。
• 量子力学的形式を適用して、距離Lにわたる時間発展におけるコherentな重ね合わせとしてのニュートリノ振動を記述し、混合角および質量平方差に依存する振動確率を導出する。
• 軽いニュートリノと重いメジャノラ型ニュートリノを含む2×2質量行列を用いてスイーパ・メカニズムを導入し、m_D^2 / Mにより、一つの軽い状態と一つの重い状態が得られることを示す。
• マヨラナニュートリノの影響を分析し、レプトン数の破れおよびニュートリノ無し二重ベータ崩壊の可能性を検討する。
• KamLAND-Zenなどの実験からの制約を評価し、ニュートリノ無し二重ベータ崩壊の半減期（T_0ν^{1/2} > 1.07×10^26年、90%信頼水準）の下限を得る。
• 短基準長スケールの原子炉ニュートリノ異常を介して、ステアリングニュートリノや非標準的相互作用の発見可能性を議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノはマヨラナ粒子かディラック粒子か。実験的にどのように検証できるか。
• RQ2 ニュートリノの絶対的質量スケールは何か。スイーパ・メカニズムとどのように関連するか。
• RQ3 ニュートリノ系においてCP対称性の破れが存在するか。もし存在するならば、宇宙のバリオン非対称性を説明できるか。
• RQ4 短基準長スケールの原子炉ニュートリノ異常は、ステアリングニュートリノまたは新しい物理学の存在を示唆しているか。
• RQ5 ニュートリノはCPT対称性やローレンツ不変性を破る可能性があるか。このような効果は、非標準的相互作用とどのように区別できるか。

主な発見

• ニュートリノ振動は、ニュートリノが非ゼロ質量を持つことを明確に示しており、元々の標準模型における質量ゼロの仮定に反する。
• PMNS行列は、フレーバー固有状態ναが質量固有状態νiの重ね合わせであることを記述し、混合振幅Uαiを含む。その絶対値の二乗|Uαi|²は、フレーバー遷移の確率を表す。
• スイーパ・メカニズムは、重い右巻きメジャノラ型ニュートリノを導入することで、観測されたニュートリノ質量の小ささを説明する。軽いニュートリノ質量スケールは約m_D² / Mに比例する。
• ニュートリノ無し二重ベータ崩壊は、マヨラナニュートリノを調べる重要なプローブであり、現在の実験的下限では半減期が90%信頼水準で1.07×10^26年以上に達している。
• ステアリングニュートリノは、短基準長スケールの原子炉ニュートリノ実験における異常を説明する有力な候補であるが、その存在は未確認のままである。
• GERDA-フェーズII、Majorana、nEXO、CUOREなどの今後の実験は、ニュートリノ無し二重ベータ崩壊への感度を1桁向上させることを目的としている。