[論文レビュー] New Physics with MeV Neutrino Sources Brighter than a Thousand Suns

Sanjib Kumar Agarwalla, R. Raghavan|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2010

Neutrino Physics Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、太陽の1000倍以上の明るさを持つMeVニュートリノ源を用い、アクティブ-ステアイル混合を介して短基準長ニュートリノ振動を調べることを提案する。チェレンコフ、液体シンチレーション、LENS検出器を多様に用いることで、フレーバー生存波の直接観測が可能となり、CPT対称性、レプトン数破れ、ステアイルニュートリノの性質の検証が、ニュートリノ質量なし二重ベータ崩壊実験と同等の感度で可能となる。

ABSTRACT

Short baseline oscillations of neutrinos (nue and nuebar) due to active-sterile (a-s) mixing can be observed explicitly using MeV neutrino beams and existing/planned neutrino detectors. The typical baseline/energy (L/E) of this approach allows flavor survival waves to be observed in the spatial distribution of events inside the detector itself. Single/multiple oscillations can be tested using a variety of sources of nue and nuebar matched to Cerenkov (C), liquid scintillator (LS) and LENS (In-LS) detectors. Distinct tags for nue (from In) and nuebar (from p in the LS) in LENS allow access to nue and nuebar for probing (a-s) mixing, CPT symmetry and in a new way, limits on lepton number violation (LNV) via wrong helicity neutrino reactions comparable to limits for neutrinoless double beta decay via right handed currents.

研究の動機と目的

• MeVスケールのニュートリノビームを用い、アクティブ-ステアイル混合によって駆動される短基準長ニュートリノ振動を調査すること。
• 正確なL/E調整を用いて、ニュートリノ検出器における空間的に変調されたフレーバー生存波の直接観測を可能にすること。
• LENS検出器における電子ニュートリノと反ニュートリノの異なるタグを用いて、CPT対称性とレプトン数破れ（LNV）を高精度で検証すること。
• 右巻きカレントを介したプロセスにより、ニュートリノ質量なし二重ベータ崩壊と同等のLNV感度を達成すること。
• 既存および計画中の検出器を用いて、MeVニュートリノを用いた標準模型を超える新しい物理を探索する可能性を実証すること。

提案手法

• 1秒あたり10^45個を超えるニュートリノ出力を持つMeVニュートリノ源を用い、太陽ニュートリノ流量を上回ること。
• チェレンコフ（C）、液体シンチレーション（LS）、LENS（In-LS）検出器を組み合わせて、インジウム由来の電子ニュートリノ（In）とプロトン反応由来の反ニュートリノ（LS内）をタグすること。
• 基準長対エネルギー比（L/E）を調整し、イベントの空間分布に複数の振動最大値および最小値が現れる実験を設計すること。
• LENS検出器の電子ニュートリノと反ニュートリノへの応答の相違を活用し、CPTおよびLNV研究のための分離を実現すること。
• 右巻きカレントを含む理論的枠組みを用いてレプトン数破れ過程をモデル化し、ニュートリノ質量なし二重ベータ崩壊における断面積と比較すること。
• 既存の検出器技術およびビーム源を用いて、新たな加速器施設を必要とせず、短期間での実験的実現を可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクティブ-ステアイルニュートリノ振動は、MeVニュートリノビームと既存の検出器を用いて短基準長で観測可能か？
• RQ2 L/E調整を用いることで、ニュートリノ検出器におけるフレーバー生存波の空間的分解能はどの程度達成可能か？
• RQ3 LENS検出器におけるタグ付きの電子ニュートリノおよび反ニュートリノイベントを用いて、CPT対称性を高精度でテストできるか？
• RQ4 MeVニュートリノ源によるレプトン数破れへの感度はどの程度で、ニュートリノ質量なし二重ベータ崩壊と比較してどうなるか？
• RQ5 ニュートリノ相互作用における右巻きカレントを介したプロセスは、ニュートリノ質量なし二重ベータ崩壊と同等のLNV感度を達成できるか？

主な発見

• 1秒あたり10^45個を超えるニュートリノ出力を持つMeVニュートリノ源は、高い感度でアクティブ-ステアイル混合を調べるのに用いることができる。
• L/E比を調整した検出器において、フレーバー生存波に起因するニュートリノイベント分布の空間的変調を直接観測できる。
• LENS検出器は、インジウム由来の電子ニュートリノ（In）とプロトン反応由来の反ニュートリノ（LS内）を明確にタグでき、CPTおよびLNV研究の高精度な実現を可能にする。
• 右巻きカレントを介したレプトン数破れへの感度は、ニュートリノ質量なし二重ベータ崩壊実験と同等のレベルに達する。
• 提案された設定により、複数の振動モードのテストが可能となり、ステアイルニュートリノパラメータに対する新たな直接的プローブが得られる。
• 本研究は、新たなインfra構築を要せず、既存および近い将来の検出器を用いてMeVニュートリノを用いた新しい物理の探査が可能であることを確認した。