[論文レビュー] Searching for Novel Neutrino Interactions at NOvA and Beyond in Light of Large theta_13

Alexander Friedland, Ian M. Shoemaker|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 20

ひとこと要約

この論文は、大きな $\theta_{13}$ 角を活用して干渉効果を強化することで、長基線ニュートリノ実験、特に NOvA と LBNE が $e$-$\tau$ セクターにおける非標準的ニュートリノ相互作用（NSI）に感度を示す可能性を調査している。NOvA では $\sim3\sigma$ の有意水準で NSI を検出可能であるが、NSI の位相が $CP$ 違反を模倣するため、質量階層と真の $CP$ 違反を確認するには LBNE のような長い基線（$1300$ km）が必要となる。

ABSTRACT

We examine the prospects of probing nonstandard interactions (NSI) of neutrinos in the e-tau sector with upcoming long-baseline nu_mu -> nu_e oscillation experiments. First conjectured decades ago, neutrino NSI remain of great interest, especially in light of the recent 8B solar neutrino measurements by SNO, Super-Kamiokande, and Borexino. We observe that the recent discovery of large theta_13 implies that long-baseline experiments have considerable NSI sensitivity, thanks to the interference of the standard and new physics conversion amplitudes. In particular, in some parts of NSI parameter space, the upcoming NOvA experiment will be sensitive enough to see ~ 3sigma deviations from the SM-only hypothesis. On the flip side, NSI introduce important ambiguities in interpreting NOvA results as measurements of CP-violation, the mass hierarchy and the octant of theta_23. In particular, observed CP violation could be due to a phase coming from NSI, rather than the vacuum Hamiltonian. The proposed LBNE experiment, with its longer ~ 1300 km baseline, may break many of these interpretative degeneracies.

研究の動機と目的

• NOvA や LBNE のような今後の長基線実験が、特に $e$-$\tau$ セクターにおける非標準的ニュートリノ相互作用（NSI）にどの程度感度を示すかを評価すること。
• 最近測定された大きな $\theta_{13}$ が、標準理論と新しい物理の振幅の間の量子干渉を介して NSI 検出をどのように強化するかを評価すること。
• NOvA における $CP$ 違反、質量階層、$\theta_{23}$ のオクタント測定の解釈に、NSI の位相がもたらす曖昧さを特定・定量化すること。
• LBNE の $\sim1300$ km の長い基線が、NSI 解釈における主要なデゲネラシーをどのように解消できるかを示すこと。
• T2K、NOvA、LBNE、Deep Core の複数の基線からのデータを統合して分析することで、NSI 感度を最大化し、パrameter の曖昧さを解消するよう提言すること。

提案手法

• 単一の非対角的 $e$-$\tau$ NSI カップリング $\varepsilon_{e\tau}^{f}$ を用いた有効場理論フレームワークを採用し、$\mathcal{L} \supset -2\sqrt{2} \varepsilon_{e\tau}^{f} G_F (\bar{f}\gamma^\mu f)(\bar{\nu}_e \gamma_\mu \nu_\tau) + \text{h.c.}$ で NSI をパラメータ化する。
• 物質中でのニュートリノ振動確率 $P(\nu_\mu \to \nu_e)$ を分析し、標準的真空振動と NSI 振幅の干渉を組み込む。
• 異なる基線（NOvA では $\sim810$ km、LBNE では $\sim1300$ km）における $\nu_\mu \to \nu_e$ の出現率のスペクトル解析を用いて、NSI 感度を調査する。
• 太陽ニュートリノデータ（SNO、Borexino）における予測された $\nu_e$ 生存確率を、$\varepsilon_{e\tau} \sim 0.2-0.4$ の有無に応じて比較し、一貫性を評価する。
• 複数の基線における $\nu$ および $\bar{\nu}$ モードのデータを用いて、位相および階層の識別に焦点を当て、デゲネラシーの解消を評価する。
• NOvA および LBNE における NSI 検出の $3\sigma$ および $5\sigma$ 感度閾値を推定する統計的分析を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大きな $\theta_{13}$ を有する条件下で、NOvA や LBNE のような長基線実験が $e$-$\tau$ セクターにおける非標準的ニュートリノ相互作用（NSI）を検出可能か？
• RQ2 NSI の位相は、$\nu_\mu \to \nu_e$ 振動実験における真の $CP$ 違反効果をどの程度模倣または隠蔽するか？
• RQ3 NSI 効果は、NOvA におけるニュートリノ質量階層および $\theta_{23}$ のオクタントの決定にどのように干渉するか？
• RQ4 LBNE の長い基線（$\sim1300$ km）は、短基線実験が直面する NSI 解釈のデゲネラシーを解消できるか？
• RQ5 T2K、NOvA、LBNE、Deep Core の複数の長基線実験の組み合わせによる NSI 感度は何か？また、単一実験の分析に比べてどのように向上するか？

主な発見

• 大きな $\theta_{13}$ が量子干渉を通じて NSI 感度を強化し、$|\varepsilon_{e\tau}| \sim 0.2-0.4$ の場合に NOvA で標準模型のみの仮説から $\sim3\sigma$ のずれを検出可能である。
• LBNE の $\sim1300$ km の基線は、$\varepsilon_{e\tau} \sim 0.1$ の場合に $5\sigma$ で NSI を検出可能であり、$\varepsilon_{e\tau} \sim 0.1$ でさえ $3\sigma$ での検出が可能である。
• NSI は $CP$ 違反位相 $\delta_\nu$ を導入し、これが真空の $CP$ 違反位相 $\delta$ を模倣するため、NOvA における $CP$ 違反の解釈に根本的な曖昧さをもたらす。
• NOvA における $\delta$、$\delta_\nu$、質量階層の異なる組み合わせのデゲネラシーは、特に LBNE の長い基線を用いた複数基線からのデータ統合によって解消可能である。
• スペクトル情報、特に低エネルギー領域および第2振動最大値付近では、NSI 位相と標準模型パラメータの区別を著しく向上させる。
• NOvA、LBNE、T2K、Deep Core のデータを統合した分析は、デゲネラシーを解消し、NSI を強力かつ多面的に探査する強力な手段となることが予想される。