[論文レビュー] Report of the Topical Group on Neutrino Properties for Snowmass 2021

C. Giunti, J. Gruszko+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2022

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

Snowmass 2021レポートにおけるニュートリノ性状トピカルグループの報告では、絶対的ニュートリノ質量スケールの測定、ニュートリノがメジャナナ粒子かディラックフェルミオンかを特定すること、および奇妙なニュートリノ性状の探査について、現在の状況と今後の方向性を概説している。本報告では、次世代実験—例えば、サイクロトロン放射スペクトロスコピー（Project 8）、163Hoを用いたマイクロカリメトリー（ECHo/HOLMES）、トンスケールのニュートリノ無双ベータ崩壊検出器—を推奨し、電子ボルト未満の感度を達成し、レプトン数の保存が破れる現象を検証する。特に、補完的な手法とバックグラウンド抑制、検出器のスケーラビリティのための研究開発に重点を置いている。

ABSTRACT

Neutrinos are the most elusive among the known elementary particles, because of their feeble interactions with ordinary matter. They are also the most mysterious, because of their tiny masses that suggest a novel mass generating mechanism, their unknown Dirac or Majorana nature, and their big quantum mixing leading to large-amplitude flavor oscillations. This Topical Group focuses on neutrino properties that are not directly investigated in other Topical Groups of the Neutrino Frontier: in particular, the absolute value of the neutrino masses, the Dirac or Majorana nature of neutrinos, their electromagnetic properties, their lifetime, and hypothetical exotic properties.

研究の動機と目的

• トリチウムベータ崩壊および163Hoの電子捕獲を用いた直接的運動論的測定により、絶対的ニュートリノ質量スケールを決定すること。
• ニュートリノがメジャナナ粒子かディラックフェルミオンかを、ニュートリノ無双ベータ崩壊（0νββ）の探索によって特定すること。これはレプトン数の保存が破れる可能性を示唆する。
• 磁気モーメント、電荷半径、電気双極子モーメント、およびローレンツ/CPT破れといった奇妙なニュートリノ性状を、高精度実験により探査すること。
• 実験的補完性を確保し、モデル依存の曇りを解消するために、地上実験、天体的、宇宙論的プローブを統合すること。
• 逆ニュートリノ質量順序やそれ以上の領域に感度を持つ次世代検出器の研究開発を推進すること。バックグラウンドレベルが1トン・年あたり1回未満となるように。

提案手法

• サイクロトロン放射スペクトロスコピー（Project 8）を用い、トリチウムベータ崩壊における電子エネルギースペクトルを高エネルギー分解能で測定する。
• 高純度163Ho源を用いたマイクロカリメトリー（ECHo、HOLMES）を活用し、電子捕獲スペクトルのエンドポイント領域を検出することでニュートリノ質量を抽出する。
• 液体シンチレーター、タイムプロジェクションチェンバー、ボロメータ、固体半導体検出器といった多様な技術を用いたトンスケールでバックグラウンドが低い検出器を実装し、ニュートリノ無双ベータ崩壊の探索を実施する。
• パルス波形分離、パルス高さ解析、マルチプレックス読み出しシステムを用いた高度なバックグラウンド抑制技術を導入する。
• トリチウムおよび163Ho崩壊のスペクトルモデリングを理論的に改善し、感度を向上させるとともに、系統的不確実性を低減する。
• 共鳴的弾性ニュートリノ-核子散乱（CEvNS）実験を用い、ニュートリノの電磁的性状を調べ、標準模型の低エネルギー拡張を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ質量の絶対的値は何か？ そして、直接的な地上実験測定値は、宇宙論的および振動に基づく制約とどのように一致するか？
• RQ2 ニュートリノ無双ベータ崩壊が観測されるのか？ もしそうなら、ニュートリノのメジャナナ性と質量生成機構に何を示唆するのか？
• RQ3 将来の実験は、逆ニュートリノ質量順序に感度を持ち、十分なバックグラウンド抑制によって通常順序領域を探索できるようになるのか？
• RQ4 ニュートリノの電磁的性状は何か？ また、磁気モーメントや電荷半径のズレが、標準模型からの逸脱を検出可能か？
• RQ5 ローレンツおよびCPT破れ、等価原理の破れ、または見えないニュートリノ崩壊は、高精度ニュートリノ実験でどのように現れるのか？

主な発見

• KATRINは、現在のところ、有効電子ニュートリノ質量に対して最も良い直接的制限を設定している：90%信頼水準で mβ < 0.8 eV。
• Project 8は、サイクロトロン放射スペクトロスコピーの技術を発展させ、次世代トリチウム実験に向けた原子的トリチウム源の開発を進めている。
• ECHoおよびHOLMESは、163Hoの生成とマイクロカリメータのマルチプレックス化で進展を示しており、ECHoは高統計スペクトルの解析を完了している。
• エネルギー源としてのトンスケール、低バックグラウンドの次世代0νββ実験が、米国原子力物理学局（DOE Office of Nuclear Physics）の支援のもと準備が進んでおり、Kamland-Zenの限界（2.3×10^26年）を超える感度を狙っている。
• 163Hoスペクトルの理論的モデリングが洗練され、運動論的ニュートリノ質量測定の感度を高めることが可能になっている。
• サイクロトロン放射スペクトロスコピーと163Hoを用いたマイクロカリメトリーの両方を推進するという強い合意が形成されており、実験の冗長性と信頼性を確保する。