[論文レビュー] Snowmass White Paper: Beyond the Standard Model effects on Neutrino Flavor

C. Argüelles, Gabriela Barenboim+24 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2022

Neutrino Physics Research被引用数 8

ひとこと要約

このスノーマスホワイトペーパーは、ニュートリノのフレーバーに及ぼす標準模型を越えた（BSM）効果をレビューし、無色ニュートリノ、非標準的ニュートリノ相互作用、ニュートリノの崩壊、ローレンツ／CPT不変性の破れといった新しい物理のシナリオを分析する。低エネルギー、中エネルギー、高エネルギーのニュートリノ実験を横断的に統合し、ニュートリノ振動実験、ニュートリノ望遠鏡、ダークマター検出器の間の協働を強調することで、多様なエネルギースケールと基準長におけるBSM物理の高感度な探査を可能にする。

ABSTRACT

Neutrinos are one of the most promising messengers for signals of new physics Beyond the Standard Model (BSM). On the theoretical side, their elusive nature, combined with their unknown mass mechanism, seems to indicate that the neutrino sector is indeed opening a window to new physics. On the experimental side, several long-standing anomalies have been reported in the past decades, providing a strong motivation to thoroughly test the standard three-neutrino oscillation paradigm. In this Snowmass21 white paper, we explore the potential of current and future neutrino experiments to explore BSM effects on neutrino flavor during the next decade.

研究の動機と目的

• 標準模型を越えた（BSM）物理が、複数のエネルギーおよび基準長スケールにおけるニュートリノフレーバー遷移に与える影響を評価すること。
• 非ユニタリティ、無色ニュートリノ、非標準的ニュートリノ相互作用に関する、現在および将来の実験的制約を評価すること。
• ニュートリノ望遠鏡および大気圏ニュートリノ実験が、長基準長および超高エネルギーBSM効果をどのように探査できるかを検討すること。
• ニュートリノ振動実験、ニュートリノ望遠鏡、および直接的ダークマター探索の間の相乗効果が、BSMシナリオの制約にどのように寄与するかを特定すること。
• ニュートリノ系における基本的対称性（CPT、ローレンツ不変性）および新しい物理をテストするための将来の実験のロードマップを提供すること。

提案手法

• 有効場理論およびモデル構築フレームワークを通じた、ニュートリノフレーバーにおけるBSM効果の体系的分類。
• 重いおよび軽い無色ニュートリノが存在する状況におけるニュートリノ振動確率の分析、非ユニタリティ補正を含む。
• 追加のニュートリノ状態および軽い媒介粒子を含む有効オペレーターを用いて、非標準的相互作用を記述する応用。
• 現在のデータからの制約を受ける、見えないおよび見える崩壊のニュートリノ崩壊モデルの評価。
• ビーム実験における近接／遠隔検出器の複数チャネル検出戦略と、天体的ニュートリノを用いたマルチメッセンジャーアプローチの統合。
• ダークマター検出器における共鳴ニュートリノ-核子散乱からの制約を統合し、ニュートリノフロアおよびBSM物理を探査すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無色ニュートリノおよびニュートリノ混合行列における非ユニタリティは、異なるエネルギースケールにおけるニュートリノ振動確率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 非標準的ニュートリノ相互作用（NSIs）に関する現在の実験的境界は何か？そして、将来の実験はどのようにそれらを改善できるか？
• RQ3 ニュートリノ望遠鏡および高エネルギー天体的ニュートリノ観測は、超高エネルギーおよび長基準長におけるBSM物理をどのように探査できるか？
• RQ4 ローレンツ不変性およびCPT破れの相互作用は、ニュートリノフレーバー遷移にどのように現れ、観測可能なシグネチャは何か？
• RQ5 低エネルギーの原子炉／太陽ニュートリノ実験、中エネルギーのビームおよび大気圏ニュートリノ実験、高エネルギー天体的ニュートリノ検出器の間の相補性は、BSMシナリオの制約にどのように寄与するか？

主な発見

• 現在の原子炉、太陽、加速器ニュートリノ実験のデータは、非ユニタリティパラメータを10−2未満に制限しており、将来の実験では感度が1桁向上すると予想される。
• eV〜MeVスケールの質量を有する無色ニュートリノシナリオは、宇宙論的および短基準長データによって制限されており、DUNEやSHiPといった現在および将来の実験がeVスケールのパラメータ空間を探索する予定である。
• 非標準的ニュートリノ相互作用（NSIs）は、中性荷電流系において約10−2〜10−3のレベルで制限されており、将来のビーム実験では不確実性が2〜5倍まで低減されると予想される。
• ニュートリノ崩壊モデルは、大気圏および天体的ニュートリノデータにおけるスペクトル歪みの不在によって制限されており、将来の望遠鏡（IceCube-Gen2）では崩壊幅の感度が最大2桁向上すると予想される。
• ローレンツ不変性およびCPT破れのシナリオは、大気圏および長基準長ニュートリノデータによって制限されており、現在のローレンツ不変性係数の制限は10−20〜10−22スケールにあり、次世代検出器によってさらに改善される。
• ニュートリノ振動実験、ニュートリノ望遠鏡、およびダークマター検出器の協働的利用により、BSM物理に対するマルチメッセンジャーモデルの制約が可能となり、特にニュートリノフロア領域において、共鳴ニュートリノ-核子散乱実験が競争力のある境界を提供している。