[論文レビュー] Signatures of sterile neutrino mixing in high-energy cosmic neutrino flux

A. Donini, Osamu Yasuda|ArXiv.org|Jun 18, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、理論的不確実性がニュートリノエネルギースペクトルに及ぼす影響にもかかわらず、遠方の天体的源からの高エネルギーニュートリノフラックスにおける(3+1)ステルテアニュートリノ状況の痕跡を調査する。特に、フレーバー比に注目し、νμ−ντ比がこれらの不確実性に対して頑健であることが示され、ステルテアニュートリノ混合を検出する最適な観測量である。今後のニュートリノ望遠鏡によって、4ニュートリノモデルを検証する有効な道筋が得られる。

ABSTRACT

Even after the negative result by the MiniBooNE experiment, we can still have a (3+1)-scheme with one sterile neutrino whose mixing lies within the allowed region by MiniBooNE. In this note we discuss the possible effects of such a scheme on the flavor ratio of high-energy cosmic neutrinos from cosmologically distant astrophysical sources. It is shown that in principle there is still a chance to observe deviation from the standard three flavor scenario in the flavor ratio of the high-energy cosmic neutrinos. It is proposed to see the energy spectrum to cope with the theoretical uncertainties which were recently pointed out by Lipari, Lusignoli and Meloni. It is emphasized that the $ν_μ-ν_τ$ ratio is relatively insensitive to the theoretical uncertainties and therefore this ratio is the key ingredient to look for the signatures of the sterile neutrino scheme. Although the statistics of data from one source in the next generation of neutrino telescopes are estimated not to be sufficient to distinguish the three and four family schemes, if we can gain statistics by, e.g., summing over data from many sources, then it might be possible to have a signature for the (3+1)-scheme.

研究の動機と目的

• 遠方の源からの高エネルギー宇宙ニュートリノフラックスにおける(3+1)ステルテアニュートリノ状況の検出可能性を評価すること。
• Lipariらが指摘したように、ニュートリノエネルギースペクトルの理論的不確実性がフレーバー比測定を妨げる要因となることに対処すること。
• 3ニュートリノと4ニュートリノ混合の状況を区別するための最も頑健なフレーバー比観測量を同定すること。
• 将来のニュートリノ望遠鏡が、複数の源からのデータを統計的に組み合わせることで、ステルテアニュートリノの痕跡を検出する可能性を評価すること。

提案手法

• 小さな混合角(θ13, θ14, θ24, η = π/4 − θ23)における2次までの解析的展開とエネルギー依存のスペクトル補正(ε(Eν) = 2 − λ(Eν))を用いて、ニュートリノフラックスをモデル化する。
• Doniniら(2007)が制約を設けたパラメータを用いた(3+1)モデルにおいて、検出器でのニュートリノフラックスΦμ, Φτ, Φe, Φsの解析的表現を導出する。CP違反位相δ1およびδ3を含む。
• パラメータがDonini ら(2007)によって制約された(3+1)モデル下で、フレーバー比R_eμ = (νe + ν̄e)/(νμ + ν̄μ)およびR_τμ = (ντ + ν̄τ)/(νμ + ν̄μ)を評価する。
• フラックスおよび比のエネルギー依存性を分析し、源のエネルギースペクトルにおける理論的不確実性への感受性を比較する。
• R_eμとR_τμのスペクトル不確実性に対する頑健性を比較し、R_τμがより感受性が低いことを同定する。
• 複数の天体的源からのデータを組み合わせることで、(3+1)モデルのずれを検出する統計的パワーを高めることを提言する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的不確実性が存在する中で、(3+1)ステルテアニュートリノ状況は、高エネルギー宇宙ニュートリノのフレーバー比に観測可能なずれを生じうるか？
• RQ2 R_eμとR_τμのうち、どのフレーバー比がニュートリノエネルギースペクトルの不確実性に対して最も頑健か？
• RQ3 将来のニュートリノ望遠鏡は、フレーバー比を用いて3ニュートリノと4ニュートリノ混合の状況をどの程度区別できるか？
• RQ4 CP違反位相および混合角（特にθ34）は、宇宙フラックスにおけるステルテアニュートリノの検出可能性にどのように影響するか？
• RQ5 複数の源からのデータを統合することの、ステルテアニュートリノの痕跡検出感度向上における役割は何か？

主な発見

• νμ−ντ比（R_τμ）は、R_eμに比べてニュートリノエネルギースペクトルの不確実性に対して著しく感受性が低く、ステルテアニュートリノ混合を検出するための最適な観測量である。
• R_eμはスペクトルの不確実性に強く影響を受けるため、3家族と4家族の混合状況を信頼性を持って区別することはできない。
• (3+1)モデルはフレーバー比に測定可能なずれを生じうるが、それはR_τμを主観測量として用いる場合に限る。
• 単一の源からの統計的データが限られている場合でも、R_τμ比はスペクトルモデリング誤差に感受性が低いため、依然として有効なプローブである。
• ステルテアニュートリノの存在は、主にθ34およびθ24を通じてフラックス比に影響を与えるが、θ34は≤35°に制限されており、信号強度が限定される。
• 複数の天体的源からのデータを統合することで、統計的制限を克服でき、次世代のニュートリノ望遠鏡が(3+1)モデルを検出可能にする。