[論文レビュー] Solar neutrinos: Oscillations or No-oscillations?

A. Yu. Smirnov|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2016

Neutrino Physics Research被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、SNO実験の太陽ニュートリノ結果が、振動よりも太陽の物質内における断熱的フレーバー変換（MSW効果）によって最もよく説明されると主張している。ノーベル賞の公式発表では振動が強調されているが、実際には太陽ニュートリノに関しては振動は無視できるほど小さい。また、振動と断熱的変換の両方ともニュートリノ質量の存在を直接証明するものではなく、混合の結果にすぎない。

ABSTRACT

The Nobel prize in physics 2015 has been awarded "... for the discovery of neutrino oscillations which show that neutrinos have mass". While SuperKamiokande (SK), indeed, has discovered oscillations, SNO observed effect of the adiabatic (almost non-oscillatory) flavor conversion of neutrinos in the matter of the Sun. Oscillations are irrelevant for solar neutrinos apart from small $ν_e$ regeneration inside the Earth. Both oscillations and adiabatic conversion do not imply masses uniquely and further studies were required to show that non-zero neutrino masses are behind the SNO results. Phenomena of oscillations (phase effect) and adiabatic conversion (the MSW effect driven by the change of mixing in matter) are described in pedagogical way.

研究の動機と目的

• SNO実験による太陽ニュートリノの結果の物理的解釈を明確化すること。
• ノーベル賞公式発表が振動の役割を過大評価していると主張し、代わりにMSW効果を主要メカニズムとして強調すること。
• 振動と断熱的変換の両方が、非ゼロのニュートリノ質量を一意に示すものではないことの証明。これにはさらなる証拠が必要である。
• 簡単な量子力学的モデルを用いて、混合、振動、MSW効果の教育的説明を行うこと。
• 「ニュートリノ振動」が太陽ニュートリノデータの主な説明であるという広く一般的な仮定に反論し、振動的変換と断熱的フレーバー変換の区別を求めること。

提案手法

• 質量固有状態の重ね合わせとしての二ニュートリノ混合形式を用い、相対位相を伴うコherentな重ね合わせを記述する。
• 標準的な振動形式（位相の進化、干渉）を適用し、質量固有状態間の位相差がどのように振動を生じるかを示す。
• 物質中における時間に依存するハミルトニアンを用いてMSW効果を導入し、密度に依存する混合角を導入する。
• 断熱近似を適用し、太陽のようにゆっくり変化する物質中では、ニュートリノが瞬時の質量固有状態にとどまることが示される。これにより、ほぼ完全なフレーバー変換が生じる。
• 振動確率（sin²(φ/2)）と断熱的遷移確率（1 - sin²(2θ)sin²(Δr/2l)）を比較し、両者の異なる挙動を示す。
• 波パケット形式を用いて振動振幅と干渉効果を導出し、位相がゼロのときにはキャンセルされ、πのときには強めあうことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ振動ではなく、断熱的フレーバー変換が、太陽ニュートリノに関するSNOの結果をどの程度説明しているか。
• RQ2 なぜ太陽の物質内における断熱的MSW効果が、真空中の振動よりもSNOデータをより正確に記述できるのか。
• RQ3 観測されたニュートリノフレーバー変換を、非ゼロのニュートリノ質量に一意に帰属できるのか。他のメカニズムでも同様のデータを説明できるのか。
• RQ4 質量固有状態間の相対位相が、どのように振動的挙動を生成するのか。
• RQ5 断熱性条件が、物質中でニュートリノが瞬時の質量固有状態に従うことを保証する仕組みは何か。また、この近似が破れる条件は何か。

主な発見

• SNO実験では、振動ではなく断熱的フレーバー変換（MSW効果）が、太陽ニュートリノ変換の主要メカニズムとして観測された。
• 太陽ニュートリノの解釈に関しては、振動は無視できるほど小さいが、地球の物質内でのわずかな再生成効果を除いては無関係である。
• 太陽の物質内における断熱的MSW効果により、νₑはν_μおよびν_τにほぼ完全に変換され、SNOの charged-current イベントの不足と整合的である。
• 振動の深さ（sin²2θ）は、二つの質量固有状態からの振幅の干渉によって決まり、φ_osc = π のときに最大確率を示す。
• 断熱性条件は、共鳴層の幅が物質中での振動波長を超える必要があることを要請し、これにより系が瞬時の固有状態にとどまることが保証される。
• 振動と断熱的変換の両方が、混合の結果にすぎず、ニュートリノ質量の直接的証明ではない。SNOの結果の原因が質量に起因するかどうかを確認するには、さらなる研究が必要である。