[論文レビュー] Nonunitary neutrino mixing matrix and CP violating neutrino oscillations

M. Czakon, J. Gluza+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2001

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、重いステルシスニュートリノとの混合によって生じる非ユニタリティニュートリノ混合が、標準模型の混合角 $U_{e3}$ が小さい場合でも、ニュートリノ振動におけるCP対称性破れ効果を顕著に強化できることを調査している。小さな非ユニタリティパラメータ $\epsilon_i$ を導入することで、モデルは長基準長および短基準長実験において、CP非対称性が大きく、検出可能であることを示している。非標準的位相は、標準的なCP対称性破れを模倣または隠蔽する可能性がある。

ABSTRACT

In the standard approach to the neutrino oscillations a unitary relation among weak and mass eigenstates of light neutrinos is imposed. However, in many extensions of the SM left-handed, active neutrinos mix with additional heavy neutrino states. Consequences of this additional mixing, driven by experimental constraints, on the neutrino oscillations are considered.

研究の動機と目的

• 非ユニタリティニュートリノ混合がニュートリノ振動におけるCP対称性破れ効果に与える影響を調査すること。
• 重いステルシスニュートリノ状態との混合が、標準的なユニタリティ混合行列 $U$ をどのように変更するかを検討すること。
• 非ユニタリティ効果が、$U_{e3}$ が小さい場合に標準的なCP対称性破れを模倣または隠蔽できるかどうかを評価すること。
• CP非対称性測定から非ユニタリティパラメータ $\epsilon_i$ に課される制約を導出すること。
• 非直交ニュートリノ状態が振動確率保存に与える影響を検討すること。

提案手法

• 4×4 ニュートリノ混合行列 $U_\nu = \begin{pmatrix} U & V \\ V' & U' \end{pmatrix}$ を使用し、$U$ を3×3混合行列とし、$V$ を $n_R$ 個の重い状態との混合を記述する。
• 非ユニタリティパラメータ $\epsilon_i$ を導入して、$U$ のユニタリティからのずれをパラメータ化し、$(UU^\dagger)_{\alpha\beta} = \delta_{\alpha\beta} - (VV^\dagger)_{\alpha\beta}$ とする。
• 真空中の振動確率を導出し、ハミルトニアンおよび時間発展方程式における $\epsilon_i$ に依存する補正項を含める。
• 非ユニタリティ $U$ を用いたCP非対称性 $A_{CP}(\alpha;\beta) = \frac{P(\nu_\alpha \to \nu_\beta) - P(\bar{\nu}_\alpha \to \bar{\nu}_\beta)}{P(\nu_\alpha \to \nu_\beta) + P(\bar{\nu}_\alpha \to \bar{\nu}_\beta)}$ を分析する。
• ニュートリノエネルギーが2–30 GeVの範囲で、長基準長（732 km、例：MINOS）および短基準長（250 km、例：K2K）実験について数値シミュレーションを実施する。
• 非標準的CP位相をモデル化するため、複素数の $\epsilon_i$ を用い、ユニタリティの場合の標準的 $\delta$ 位相と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非ユニタリティニュートリノ混合は、$U_{e3}$ が小さい場合でも、ニュートリノ振動におけるCP対称性破れ非対称性を顕著に増幅させ得るか？
• RQ2 非ユニタリティ効果は、標準模型のCP対称性破れ位相 $\delta$ の効果をどの程度模倣または隠蔽できるか？
• RQ3 短基準長実験は非ユニタリティパラメータ $\epsilon_i$ に対してどの程度感度を有するか？
• RQ4 非直交ニュートリノ状態の観点から、振動確率の和にどのような観測可能な影響が生じるか？
• RQ5 標準模型と非標準的CP効果の間でキャンセルが生じる可能性はあり、それらが検出にどのように影響するか？

主な発見

• 非ユニタリティ効果は、$\epsilon_2$ および $\epsilon_3$ が 0.1 に設定された場合、標準ユニタリティモデルが予測するものよりも大きなCP非対称性を生じさせ得る。
• $U_{e3} \approx 0$ であっても、$\epsilon_i$ に依存する新しい項が振動確率に現れ、$\Delta m_{21}^2$ とは無関係であるため、CP対称性破れが顕著に強化される。
• 短基準長実験（例：K2K）は非ユニタリティパラメータに感度を示し、$A_{CP}$ の信号が観測されない場合、$(VV^\dagger)_{\alpha\beta}$ に対する制約が強化される。
• 複素数の非ユニタリティパラメータ $\epsilon_i$ は、標準模型のCP位相 $\delta$ の効果を模倣でき、CP対称性破れの解釈を誤る可能性がある。
• 標準模型と非ユニタリティCP効果の間でキャンセルが生じる可能性があり、将来的な $A_{CP}$ 測定の解釈を複雑にする。
• 非ユニタリティの場合、振動確率の和 $\sum_\alpha P_{\alpha\beta}$ はもはや1に等しくならず、$\mathcal{O}(\epsilon)$ のオーダーの補正を受けるため、確率保存則が破れる。