[論文レビュー] Perturbative Lorentz and CPT violation for neutrino and antineutrino oscillations

J. S. Díaz, Alan Kostelecký+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2009

Neutrino Physics Research被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、標準模型拡張（SME）を用いて、摂動的 Lorentz 違反および CPT 違反が三フレーバー中性子差の振動に与える影響を調査し、可逆的オペレーターからの一次補正を導出している。長基準距離の中性子ビームにおける sidereal 変動および CPT 異常が主なシグネチャであると特定し、このような実験が現在の制限よりも最大で二桁高い感度で Lorentz 違反係数を測定可能であることを示している。

ABSTRACT

The effects of perturbative Lorentz and CPT violation on neutrino oscillations are studied. Features include neutrino-antineutrino oscillations, direction dependence, and unconventional energy behavior. Leading-order corrections arising from renormalizable operators are derived in the general three-flavor effective field theory. The results are applied to neutrino-beam experiments with long baselines, which offer excellent sensitivity to the accompanying effects. Key signatures of Lorentz and CPT violation using neutrino beams include sidereal variations in the oscillation probabilities arising from the breakdown of rotational symmetry, and CPT asymmetries comparing neutrino and antineutrino modes. Attainable sensitivities to coefficients for Lorentz violation are estimated for several existing and future experiments.

研究の動機と目的

• SME の有効場理論フレームワークを用いて、三フレーバー中性子差の振動に及ぼす摂動的 Lorentz 違反および CPT 違反の影響を分析すること。
• 長基準距離の中性子ビーム実験において観測可能なシグネチャ、例えば sidereal 変動および CPT 異常を特定すること。
• 特に長基準距離または高エネルギーを持つ既存および将来の実験における Lorentz 違反係数への到達可能な感度を推定すること。
• 基準的オペレーターが基準距離 L およびエネルギー E に依存する振動位相を生成する役割を明らかにし、CPT 偶数および CPT 奇数の寄与を区別すること。
• K2K、MINOS、T2K、NOvA などの実験が、感度を向上させることで、従来の制限では到達できなかった SME 係数空間の領域を探索可能であることを示すこと。

提案手法

• SME ラグランジアンに、中性子系における可逆的で次元4のオペレーターを用いて、中性子差の振動確率に対する一次補正を導出する。
• Lorentz 違反係数の4つのクラスを特定する：$(a_L)^\alpha_{ab}$, $(c_L)^{\alpha\beta}_{ab}$, $\widetilde{g}^{\alpha\beta}_{a\bar{b}}$, および $\widetilde{H}^\alpha_{a\bar{b}}$ で、それぞれ異なる振動行動を支配する。
• 解析を簡略化するための二フレーバー近似を適用し、sidereal 変調された振動確率の簡潔な表現を導出し、特に二フレーバー極限の式 (70) を得る。
• CP および CPT 異常の観測量（式 72 および 74）を導入し、sidereal 効果に依存せずに Lorentz 違反および CPT 違反を独立に探査可能にする。
• $\widetilde{g}^{\alpha\beta}_{a\bar{b}}$ および $\widetilde{H}^\alpha_{a\bar{b}}$ からの二次摂動効果を解析し、これらは中性子-反中性子混合および sidereal 周波数の4倍までの高調波を誘発する。
• NOvA や T2K、DUSEL などの長基準距離実験について数値的推定を行い、既存の制限に対する感度向上を定量する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SME における Lorentz 違反および CPT 違反係数が、三フレーバー状況における中性子差の振動確率に与える影響は何か？
• RQ2 Lorentz 違反によって引き起こされる長基準距離の中性子差実験における主な sidereal 変調パターンは何か？
• RQ3 中性子と反中性子の間の CPT 異常を用いて、Lorentz 違反および CPT 違反をどのように探査できるか？
• RQ4 $\widetilde{g}^{\alpha\beta}_{a\bar{b}}$ および $\widetilde{H}^\alpha_{a\bar{b}}$ からの二次摂動効果が、中性子-反中性子混合および高調波 sidereal シグナルを生成する役割は何か？
• RQ5 既存および将来の長基準距離実験が、現在の制限と比較して、SME 係数への感度をどの程度向上させられるか？

主な発見

• Lorentz 違反によって生じる sidereal 変動は、$\widetilde{g}^{\alpha\beta}_{a\bar{b}}$ および $\widetilde{H}^\alpha_{a\bar{b}}$ からの二次効果によって、sidereal 周波数の4倍までの高調波を含む。
• 係数 $(a_L)^\alpha_{ab}$ および $\widetilde{H}^\alpha_{a\bar{b}}$ はエネルギーに依存しない振動位相を生成するが、$(c_L)^{\alpha\beta}_{ab}$ および $\widetilde{g}^{\alpha\beta}_{a\bar{b}}$ は $LE$ に依存する位相を生成する。
• 中性子-反中性子混合は $\widetilde{g}^{\alpha\beta}_{a\bar{b}}$ および $\widetilde{H}^\alpha_{a\bar{b}}$ によって誘導され、レプトン数の破れを引き起こし、CPT 異常の測定を可能にする。
• 長基準距離または高エネルギーの実験が、Lorentz 違反および CPT 違反を探索するのに最適であり、$LE$ に依存する項および $L$ 僅どの項への感度が向上する。
• 長基準距離実験における Lorentz 違反係数への感度は、現在の制限を最大で二桁上回り、特に $\widetilde{g}^{\alpha\beta}_{a\bar{b}}$ および $\widetilde{H}^\alpha_{a\bar{b}}$ に対して顕著である。
• 二フレーバー極限では、sidereal 変調確率（式 70）および CP/CPT 異常（式 77–78）の簡潔で洗練された形が得られ、データとの直接比較が容易になる。