[論文レビュー] Resolving LSND anomaly by neutrino diffraction

Kenzo Ishikawa, Yutaka Tobita|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、短基準長における電子ニュートリノ事象の過剰現象（LSND異常）が、新物理ではなくニュートリノ波束における新しい回折効果に起因すると提案する。有限時間S行列の進化を分析することで、著者らはニュートリノ検出確率に、平均ニュートリノ質量二乗に敏感なT依存性を持つ回折項が存在することを示し、フレーバー振動を介さずにLSNDの過剰を解消する。一方、電荷レプトンは質量が大きく、ヘリシティ抑制を受けるため、同様の効果を示さない。

ABSTRACT

In the charged pion decay, a neutrino is produced in pair with a charged lepton and they have the same production rate. In this paper we show that neutrinos have their own space-time correlations in a wide area and are detected in a different manner from charged leptons, owing to extremely small mass. The neutrino flux reveals a unique interference effect in the form of diffraction of non-stationary waves. The diffraction component of the flux shows a slow position-dependence and leads to an electron neutrino at short base-line regions. The electron neutrino flux at short distances is attributed to the neutrino diffraction and the one at long distances is to the normal flavor oscillation. The former depends upon the average mass-squared $\bar m^2_ν$ and the latter depends upon the mass-squared difference $δm^2_ν$. The LSND and the two neutrino experiment (TWN) measure $\bar m^2_ν$ and the other experiments measure $δm^2_ν$. Hence they are consistent with each other. The neutrino diffraction would supply valuable information on the absolute neutrino mass.

研究の動機と目的

• 短基準長で予想を上回る電子ニュートリノ事象が観測されるという長年のLSND異常を解消すること。
• LSND/TWN実験（平均ニュートリノ質量二乗を測定）と長基準長実験（質量二乗差を測定）の間にある乖離を説明すること。
• 有限時間S行列の進化が、標準的な漸近的S行列理論では見られないニュートリノフラックスにおける回折成分を明らかにすること。
• この回折効果が、ニュートリノの小さな質量と相対論的不変性のおかげで観測可能であり、電荷レプトンには顕著でないことを示すこと。
• ユニタリティとレプトン数保存則を保ちつつ、異常な電子ニュートリノフラックスを説明できる一貫性のある枠組みを提供すること。

提案手法

• 有限時間TにおけるMøller作用素を介して定義される有限時間S行列 $ S[T] = \Omega_-^\dagger(T)\Omega_+(T) $ を用いて、パイオン崩壊のダイナミクスを記述する。
• 波束形式を適用し、時間依存のニュートリノおよび電荷レプトンの検出確率を、遅延効果と干渉効果を組み込んでモデル化する。
• 回折項 $ P_{\text{diff}}^{(\nu)}(T) = C T \sum_i \tilde{g}(T, \omega_{\nu_i}) |U_{i,e}|^2 $ を導出する。ここで $ \tilde{g}(T, \omega) $ は時間および質量に依存する干渉関数である。
• $ \tilde{g}(T, \omega) $ を $ T g(T, \omega) = -i \int_0^T dt_1 dt_2 \frac{\epsilon(\delta t)}{|\delta t|} e^{i\omega \delta t} $ により計算し、ニュートリノでは有限のまま保たれることを示すが、マクロなTでは電荷レプトンでは消えることを示す。
• 理論的回折フラックスをLSNDおよびTWN実験データと比較し、 $ \bar{m}^2_\nu \approx 0.25-1.0 \, \text{eV}^2/c^4 $ の範囲で良好な一致を得た。
• 回折成分がヘリシティ抑制を破ることにより、最大でミューオンニュートリノフラックスの10–20％に相当する電子ニュートリノが生成可能であることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜLSNDおよびTWN実験では短基準長で電子ニュートリノの過剰が観測されるのに対し、他の実験では観測されないのか？
• RQ2 スターリルニュートリノや新物理を導入せずに、観測された電子ニュートリノ過剰を説明できるか？
• RQ3 有限時間におけるS行列の進化は、標準的な漸近的S行列理論と比較して、ニュートリノ検出確率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 なぜ回折効果はニュートリノに対して顕著だが、電荷レプトンに対しては無視できるのか？
• RQ5 回折メカニズムは、検出確率の低下が見られるにもかかわらず、ユニタリティとレプトン数保存則を保っているのか？

主な発見

• 有限時間S行列におけるエネルギー保存が成り立たない最終状態に起因し、ニュートリノフラックスの回折成分 $ P_{\text{diff}}^{(\nu)}(T) $ は有限かつT依存的である。
• 回折項は平均ニュートリノ質量二乗 $ \bar{m}^2_\nu $ に依存するが、通常の項は質量二乗差 $ \delta m^2_\nu $ に依存するため、LSNDおよびTWN実験が $ \bar{m}^2_\nu $ を測定し、他の実験が $ \delta m^2_\nu $ を測定する理由が説明できる。
• ヘリシティ抑制の破壊により、短距離で電子ニュートリノの回折フラックスが増幅され、ミューオンニュートリノフラックスの最大で10–20％に達する。
• 電荷レプトンでは、質量が大きいためマクロなTにおいて $ \tilde{g}(T, \omega_l) \to 0 $ となるため、回折成分は消える。これは実験観測と整合的である。
• 理論は $ \bar{m}^2_\nu \approx 0.25-1.0 \, \text{eV}^2/c^4 $ の範囲でLSNDおよびTWNのデータと良好に一致し、新粒子を導入せずに異常を解消した。
• ユニタリティとレプトン数保存則は保たれている。検出確率のT依存的減少は、実際の粒子損失によるものではなく、遅延効果と干渉効果に起因する。