[論文レビュー] Overview of Neutrino Mixing Models and Ways to Differentiate among Them

Carl H. Albright|ArXiv.org|May 1, 2009

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用数 22

ひとこと要約

この論文は、混合角、質量ヘリシティ、CP位相の予測に基づいてモデルを分類するための水平フレーバー対称性と垂直ファミリー対称性に注目したニュートリノ混合モデルをレビューする。sin²θ₁₃の正確な測定、ニュートリノ無双ベータ崩壊、および電荷レプトンフレーバー違反が、妥当なモデルの空間を顕著に縮小することが判明した。近い将来の原子炉実験が、sin²θ₁₃ ≲ 0.001 が確認された場合、約2/3のモデルを除外すると予想される。

ABSTRACT

An overview of neutrino-mixing models is presented with emphasis on the types of horizontal flavor and vertical family symmetries that have been invoked. Distributions for the mixing angles of many models are displayed. Ways to differentiate among the models and to narrow the list of viable models are discussed.

研究の動機と目的

• 水平フレーバー対称性と垂直ファミリー対称性に基づいてニュートリノ混合モデルを調査・分類すること。
• 今後の実験的データが、混合角、質量ヘリシティ、CP位相の予測を区別することで、妥当なモデルの数をどのように削減できるかを特定すること。
• ニュートリノ無双ベータ崩壊と電荷レプトンフレーバー違反が、モデル間の区別に果たす役割を評価すること。
• 近い将来の原子炉実験（Double CHOOZ、Daya Bay）が、ニュートリノ混合モデルのパラメータ空間をどの程度制限するかを評価すること。
• 三重最大混合（tribimaximal mixing）が偶然の対称性か、弱く破れた対称性かを、混合角のずれを分析することで特定すること。

提案手法

• GUTに基づくファミリー対称性を有するモデルも含め、モデルの背後にある水平フレーバー対称性と垂直ファミリー対称性に基づいて分類する。
• スイープ機構（タイプIおよびタイプII）を適用し、ディラック質量行列とマヨラナ質量行列から有効な軽いニュートリノ質量行列を導出する。
• PMNS混合行列を用いて、バイユニタリ変換を介して電荷レプトンとニュートリノの質量行列を関連づけ、マヨラナ位相を含む。
• 三重最大混合の摂動的解析を行い、電荷レプトン質量行列を対角形から回転させて、sin²θ₁₃のずれを研究する。
• マヨラナ位相を含めた式 ⟨mββ⟩ = |∑mᵢU²ₑᵢΦ²ᵢᵢ| を用いて、ニュートリノ無双ベータ崩壊の有効質量を計算する。
• 現在および予想される実験的限界を用いて、特に μ→e+γ および μ-e 変換を含む電荷レプトンフレーバー違反の制約を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのニュートリノ混合モデルが sin²θ₁₃ が 0.001–0.05 の範囲内に予測するか。今後の原子炉データにより、何個のモデルが生存するか。
• RQ2 三重最大混合への摂動が sin²θ₁₃ および sin²θ₂₃ の予測に与える影響は何か。また、それらはフレーバー対称性の性質にどのような示唆をもたらすか。
• RQ3 ニュートリノ無双ベータ崩壊の有効質量の正確な測定が、正の質量ヘリシティと逆の質量ヘリシティを区別できるか。
• RQ4 μ→e+γ などの電荷レプトンフレーバー違反過程が、特定のニュートリノ混合モデルをどの程度まで除外できるか。
• RQ5 マヨラナ位相がニュートリノ無双ベータ崩壊の有効質量に与える影響は何か。また、それらはどのように実験的に探査できるか。

主な発見

• sin²θ₁₃ ≲ 0.001 が確認され、フラックスの減少が観測されない場合、近い将来の原子炉実験（Double CHOOZ、Daya Bay）が、調査されたモデルの約2/3を除外すると予想される。
• レプトンフレーバー対称性を持つモデルは、sin²θ₁₃ ≲ 10⁻⁴ という極めて小さな値を予測するが、他の大多数のモデルは sin²θ₁₃ が 0.001–0.05 の範囲を好む。
• 多くのモデルが sin²θ₁₂ ≲ 0.31 を予測しており、三重最大混合の値 1/3 ≈ 0.333 よりわずかに小さいが、現在の最良適合値 0.312 と整合的である。
• 多くのモデルが sin²θ₂₃ ≥ 0.50 を予測しているが、これは現在の最良適合値 0.466 とは対照的であり、データとの間に潜在的な矛盾を示唆している。
• 三重最大混合を摂動的に変更した場合、ニュートリノ無双ベータ崩壊の有効質量プロットは、正の質量ヘリシティと逆の質量ヘリシティの間に明確な分離を示し、今後の実験が両者を決定的に区別できる可能性がある。
• すべての混合角および3つのCP破れ位相を正確に特定することが、最も妥当なモデルを特定するために不可欠である。