[論文レビュー] Observable Consequences of a Scalar Boson Coupled only to Neutrinos

G. J. Stephenson, T. Goldman|ArXiv.org|Sep 21, 1993

Neutrino Physics Research被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ニュートリノにのみ結合する軽いスカラーボソンを提案し、それが初期宇宙における高密度のニュートリノクラスタの形成を引き起こす。これらのクラスタは、サブパーセクスケールで重力的揺らぎを生成し、トリチウムベータ崩壊における電子ニュートリノの有効な質量平方が負になる効果を引き起こす。これは、他の実験と矛盾しない形で、異常なニュートリノ質量測定値を説明するものである。

ABSTRACT

We have examined the consequences of assuming the existence of a light scalar boson, weakly coupled to neutrinos, and not coupled to any other light fermions. For a range of parameters, we find that this hypothesis leads to the development of neutrino clusters which form in the early Universe and which provide gravitational fluctuations on scales small compared to a parsec (i.e., the scale of solar systems). The existence of such clustering produces an effect which would appear as a negative mass squared for the electron neutrino in Tritium beta decay, without conflicting with other experiments. The neutrino masses arising in unified gauge theories would then be very much larger than the masses extracted from experiments within the solar system.

研究の動機と目的

• ニュートリノにのみ結合し、他のフェルミオンには結合しない軽いスカラーボソンの宇宙論的および物性的影響を調査すること。
• このようなスカラーボソンが、とりわけトリチウムベータ崩壊において観測可能な効果を引き起こす可能性があるかどうかを検討すること。
• 初期宇宙におけるニュートリノクラスタが、小スケール（サブパーセク）で重力的不均一性を生成するかどうかを評価すること。
• トリチウムベータ崩壊から得られるニュートリノ質量と、統一ゲージ理論によって予測されるニュートリノ質量との顕著な不一致を解消できるか。
• このモデルが、既存のニュートリノの性質や結合定数に関する実験的制限と矛盾しないかを検証すること。

提案手法

• スカラーボソンを、ニュートリノとのみヤクビ型結合を通じて相互作用する軽く弱く結合した場としてモデル化すること。
• 初期宇宙におけるスカラーボソンが媒介するニュートリノの自己相互作用のダイナミクスを分析し、不安定性とクラスタ形成を引き起こすことを検証すること。
• スカラーボソンの交換によって誘発される密度揺らぎの重力的収縮を通じてニュートリノクラスタの形成を計算すること。
• スカラーフィールドの真空期待値から導かれるポテンシャルの影響によって、トリチウムベータ崩壊におけるニュートリノ有効質量のずれを推定すること。
• 宇宙論的シミュレーションと摂動論的理論を用いて、クラスタが生成する重力的不均一性のスケールを評価すること。
• 予測された有効質量のずれを、トリチウムベータ崩壊実験からの実験データと比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノにのみ結合するスカラーボソンが、ニュートリノクラスタのような観測可能な宇宙論的効果を引き起こす可能性があるか？
• RQ2 このようなスカラーボソン相互作用によってトリチウムベータ崩壊で誘発されるニュートリノ有効質量のずれの大きさと性質は何か？
• RQ3 生成されたニュートリノクラスタが、太陽系やサブパーセクスケール構造に関連するスケールで重力的揺らぎを生成するか？
• RQ4 電子ニュートリノの予測された負の質量平方が、他のニュートリノ性質に関する実験的制限と整合するか？
• RQ5 このモデルが、観測されたニュートリノ質量の異常と、大統一理論からの予測を一致させることができるか？

主な発見

• スカラーボソンは、スカラーフィールドが媒介する強化された自己相互作用により、初期宇宙における高密度のニュートリノクラスタの形成を引き起こす。
• これらのクラスタは、パーセク未満のスケールで重力的揺らぎを生成し、宇宙構造形成の効果を通じて検出可能である可能性がある。
• モデルは、トリチウムベータ崩壊における電子ニュートリノの有効な負の質量平方を予測しており、実験的異常と整合する。
• 予測されたニュートリノ質量のずれは、ニュートリノ質量数のない二重ベータ崩壊や宇宙論的観測からの他の実験的制限と矛盾しない。
• 統一ゲージ理論から予測されるニュートリノ質量は、実験的に抽出された値よりも著しく大きくなるが、スカラーボソンによる質量抑制のため、その差が生じる。
• このモデルは、統一理論のシナリオで大きなニュートリノ質量を生成するメカニズムを提供するとともに、低エネルギー実験における小さな有効質量を説明できる。