[論文レビュー] Non-Unitarity vs sterile neutrinos at DUNE

Josu Hernández-García, J. López-Pavón|arXiv (Cornell University)|May 4, 2017

Neutrino Physics Research参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、DUNEを事例として、標準模型を超える新しい物理現象の説明としての非ユニタリティ（NU）とステルテイルニュートリノの振動を比較する。現在のデータがNU効果をあまりに厳密に制約しているため、DUNEでは検出可能でない一方で、特に平均化されていない振動領域におけるステルテイルニュートリノは、近接検出器と遠方検出器の特徴的なシグネチャーよりも探査可能であることが判明し、感度の観点から近接検出器測定の重要性が強調される。

ABSTRACT

Neutrino masses are one of the most promising open windows to physics beyond the Standard Model (SM). Several extensions of the SM which accommodate neutrino masses require the addition of right-handed neutrinos to its particle content. These extra fermions will either be kinematically accessible (sterile neutrinos) or not (deviations from Unitarity of the PMNS matrix) but at some point they will impact neutrino oscillation searches. We explore the differences and similitudes between the two cases and compare their present bounds with the expected sensitivities of DUNE. We conclude that Non-Unitarity (NU) effects are too constrained to impact present or near future neutrino oscillation facilities but that sterile neutrinos can play an important role at long baseline experiments.

研究の動機と目的

• 非ユニタリティ（NU）とステルテイルニュートリノがニュートリノ振動実験に与える効果的影響を比較すること。
• DUNEが、NU効果と運動的に利用可能なステルテイルニュートリノの間を区別できるかを評価すること。
• 近接検出器測定が、フレックスと断面積の不確実性から新しい物理効果を分離する上で果たす役割を評価すること。
• さまざまな振動領域におけるDUNEのNUパラメータおよびステルテイルニュートリノ混合角に対する感度を定量化すること。
• DUNEのデータと既存の実験的制約（ステルテイルニュートリノ混合に関する）の相乗効果を調査すること。

提案手法

• 活性（軽い）状態と重い（ステルテイル）状態に分離した $ (3+n) \times (3+n) $ の混合行列 $ \mathcal{U} $ を用いたユニタリティ混合行列形式を用いる。
• 質量基底における進化行列 $ S^0 $ を用いて、NU領域における振動確率を $ P_{\alpha\beta} = |(NS^0N^\dagger)_{\beta\alpha}|^2 $ として導出する。
• ステルテイルニュートリノの場合、活性ニュートリノの部分行列 $ S_{\alpha\beta} $ を、軽い状態と重い状態の和として計算し、位相因子 $ \Phi_J $ を含む。
• 高速振動（$ \Delta m^2 L/E \gg 1 $）の平均化された状態に適用し、$ P_{\alpha\beta} = |S_{\alpha\beta}|^2 $ に至るが、交差項はゼロに平均化される。
• 新しい物理パラメータの真の値をゼロと仮定した頻度的感度スキャンを実施し、他のすべてのパラメータについて周辺化する。
• 既存のステルテイルニュートリノの制約からの事前知識を有する・なしの両状況を比較し、特に近接検出器（ND）の平均化済み vs. 未開発状態のシナリオを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DUNEは、長基準長ニュートリノ実験において、非ユニタリティ効果とステルテイルニュートリノ振動を区別できるか？
• RQ2 近接検出器測定は、NUとステルテイルニュートリノの両シナリオにおける新しい物理パラメータの感度にどのように影響するか？
• RQ3 近接検出器でステルテイルニュートリノ振動が平均化された場合、混合パラメータに対する感度にどのような影響があるか？
• RQ4 現在の実験的制約（ステルテイルニュートリノ混合）と、DUNEの予想される感度の間には、どのような比較的差があるか？
• RQ5 NUとステルテイルニュートリノ効果が同一の振動確率を生じるパラメータ領域はどこか？

主な発見

• 非ユニタリティ（NU）効果は、精度の高い電弱およびフラバー観測から、千分の一以下まで制約されており、DUNEでは検出不可能である。
• 平均化されていない領域（近接検出器で振動が解像できない）におけるステルテイルニュートリノ混合は、$ \alpha_{ee} $ や $ \alpha_{\mu\mu} $ のようなパラメータに対してDUNEが顕著な感度を示すことを可能にする。
• 近接検出器未開発状態では、正規化におけるキャンセルが減少するため、対角NUパラメータ $ \alpha_{ee} $ および $ \alpha_{\mu\mu} $ の感度が、近接検出器平均化状態よりも顕著に向上する。
• 実部 $ \alpha_{\tau\mu} $ の感度は、DUNEのデータと既存の事前知識を組み合わせることで向上し、データセット間の相乗効果が示唆される。
• 近接検出器平均化状態では、ステルテイルニュートリノ振動が近接検出器および遠方検出器の両方で平均化されるため、新しい物理効果はフレックスと断面積の不確実性とほとんど区別できない。
• 近接検出器は極めて重要な役割を果たす：遠方検出器とは異なり、近接検出器が新しい物理効果に影響されない場合、新しい物理パラメータに対する感度は顕著に向上する。