[論文レビュー] Non-Oscillation Probes of the Neutrino Mass Hierarchy and Vanishing U_e3

André de Gouvêa, James Jenkins|ArXiv.org|Jul 1, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、長基準長の振動実験が失敗する領域である $|U_{e3}|^2 \to 0$ のとき、非振動プローブ（トリチウムベータ崩壊による $m_{\nu_e}$、ゼロニュートリノ双ベータ崩壊による $m_{ee}$、および宇宙論的ニュートリノ質量和による $\Sigma$）がニュートリノ質量階層を特定できるかどうかを調査している。その結果、$m_{\nu_e}$、$m_{ee}$、$\Sigma$ の組み合わせ測定が階層を確立できるのは、実験的精度が高く、かつ $m_{ee}$ で構成的干渉が生じる反転階層の場合、あるいは $\sigma_{m_{ee}} \sim \sigma_{\Sigma} \sim 0.01$ eV の場合に限られることが分かった。

ABSTRACT

One of the outstanding issues in neutrino physics is the experimental determination of the neutrino mass hierarchy: Is the order of the neutrino masses ``normal'' - m_1^2

研究の動機と目的

• 長基準長の振動実験が失敗する領域 $|U_{e3}|^2 \to 0$ において、非振動実験がニュートリノ質量階層を解明できるかどうかを明らかにすること。
• トリチウムベータ崩壊（$m_{\nu_e}$）、ゼロニュートリノ双ベータ崩壊（$m_{ee}$）、および宇宙論的プローブ（$\Sigma$）が、通常階層と反転階層を区別できる能力を評価すること。
• 質量階層を正しく特定するための $m_{\nu_e}$、$m_{ee}$、$\Sigma$ の実験的精度を定量化すること。
• 特に $\cos\alpha \sim 1$ のとき、Majorana位相が $m_{ee}$ が階層を探査可能にする役割を評価すること。
• 質量階層を解明するために、$m_{\nu_e}$ 測定の感度を向上させることの重要性を強調すること。

提案手法

• 仮定 $|U_{e3}|^2 \to 0$ のもとで、$m_{\nu_e}$、$m_{ee}$、$\Sigma$ の値を変化させた多数の理論的ニュートリノ質量モデルを数値的に解析すること。
• ニュートリノ質量スケーリングを $\Delta m^2_{12}$、$\Delta m^2_{13}$（符号付き）および軽いニュートリノ質量 $m_l$ を用いて定義し、通常階層と反転階層を明確にすること。
• トリチウムベータ崩壊から得られる効果的電子ニュートリノ質量 $m_{\nu_e}$、ゼロニュートリノ双ベータ崩壊から得られる効果的メジャノラ質量 $m_{ee}$、および宇宙論的観測から得られる活性ニュートリノ質量和 $\Sigma$ を使用すること。
• 実験的不確実性内では同一の $m_{\nu_e}$、$m_{ee}$、$\Sigma$ 値を示す、デゲネレートした通常階層と反転階層の解を比較することで、質量階層の区別能力を評価すること。
• 実験的不確実性 $\sigma_{m_{ee}}$、$\sigma_{\Sigma}$、$\sigma_{m_{\nu_e}}$ の変化が階層識別に与える影響を評価すること。
• 特に $\cos\alpha \sim 1$ のとき、$m_{ee}$ のMajorana位相が階層に敏感になる役割に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $|U_{e3}|^2 \to 0$ のとき、非振動プローブがニュートリノ質量階層を解明できるか。これは振動実験が無力となる領域である。
• RQ2 $m_{\nu_e}$、$m_{ee}$、$\Sigma$ の実験的精度がどの程度でなければ、通常階層と反転階層を区別できないか。
• RQ3 具体的に $m_{ee}$ とMajorana位相の観点から、$m_{ee}$ 測定が質量階層を特定するのにどのように寄与できるか。
• RQ4 $m_{\nu_e}$、$m_{ee}$、$\Sigma$ の組み合わせが、個別の測定と比較して階層解明能力をどのように向上させるか。
• RQ5 $\Sigma$ と $m_{ee}$ が中程度の精度で測定され、$m_{\nu_e}$ が弱く制約されている場合、これらのプローブの限界は何か。

主な発見

• 実験的不確実性が $\sigma_{m_{ee}} \sim \sigma_{\Sigma} \sim 0.05$ eV の場合、$m_{\nu_e}$、$m_{ee}$、$\Sigma$ の組み合わせ測定が質量階層を特定できるのは、反転階層でかつMajorana位相が構成的干渉を示す（$\cos\alpha \sim 1$）場合に限られる。
• 実験的不確実性が $\sigma_{m_{ee}} \sim \sigma_{\Sigma} \sim 0.01$ eV にまで低下すれば、$\Sigma \lesssim 0.07$ eV かつ $m_{ee} \lesssim 0.04$ eV の条件下で、通常階層であっても階層を特定できる。
• $m_{\nu_e}$ を $\sim 0.01$ eV のレベルで測定するか、上限を求めることが、$\sigma_{\Sigma} \lesssim 0.1$ eV と組み合わせると、質量階層の感度が著しく向上する。
• 実験的不確実性が $\sigma \sim 0.05$ eV のパラメータ空間では、通常階層と反転階層のデゲネレートが生じるため、軽いニュートリノ質量 $m_l$ を信頼性を持って特定することはできない。
• 長期間にわたるデータ収集後でも、階層が通常階層で、$m_l \lesssim 0.01$ eV かつ $\sigma_{\Sigma} \gtrsim 0.03$ eV の場合、質量階層が依然として曖昧な確率が存在する。
• $m_{ee}$ や $\Sigma$ に比べて、$m_{\nu_e}$ の抽出値はモデル依存性が低いため、精度が向上すれば、階層解明に向けたより頑健なプローブとなる。