[論文レビュー] Sterile Neutrino Fits

C. Giunti|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 28被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、短基準長ニュートリノ振動実験における異常を説明するための無菌ニュートリノの妥当性を調査し、1つの無菌ニュートリノではニュートリノと反ニュートリノのデータの間の緊張を解消できないことを示している。2番目の無菌ニュートリノを導入することで、MiniBooNEのニュートリノと反ニュートリノデータ間のCP対称性の破れの緊張が解消され、出現・消滅測定の不一致は軽減されるが完全には解消されない。3+2混合スキームでは適合度が0.24%に達する。

ABSTRACT

After a brief review of the results of solar, atmospheric and long-baseline neutrino oscillation experiments which led to the current three-neutrino mixing paradigm, we discuss indications of neutrino oscillation experiments in favor of short-baseline oscillations which require the existence of one or more sterile neutrinos. We show that the simplest possibility of existence of one sterile neutrino is not enough to fit all data of short-baseline neutrino oscillation experiments because of two tensions: a tension between neutrino and antineutrino data and a tension between appearance and disappearance data. The tension between neutrino and antineutrino data is eliminated with the addition of a second sterile neutrino which allows CP-violating effects in short-baseline experiments. In this case the tension between appearance and disappearance data is reduced, but cannot be eliminated.

研究の動機と目的

• 短基準長ニュートリノ振動実験における異常を説明するための無菌ニュートリノの妥当性を評価すること。
• LSNDおよびMiniBooNE実験におけるニュートリノと反ニュートリノデータの間の緊張を解消すること。
• 短基準長実験における出現データと消滅データの持続的不一致に対処すること。
• 2つの無菌ニュートリノを含む3+2ニュートリノ混合スキームが、すべての短基準長データを同時に適合させられるかどうかを評価すること。
• 標準模型を超える物理的意味、特にCP対称性の破れや非標準的相互作用の影響を明らかにすること。

提案手法

• 短基準長振動をモデル化するため、1つの無菌ニュートリノ（質量 ~0.9–1.6 eV）を含む3+1四ニュートリノ混合フレームワークを用いる。
• CP対称性の破れ位相を含めるために、2つの無菌ニュートリノを含む3+2スキームにモデルを拡張する。
• 出現および消滅チャネルの有効な振動確率を適用し、2つの無菌状態を含む干渉項を含める。
• 遷移確率の主要な式を導出：$ P_{\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e}^{\text{SBL}} $ および $ P_{\nu_\alpha \to \nu_\alpha}^{\text{SBL}} $、位相差 $ \phi_{kj} = \Delta m^2_{kj}L/4E $ およびCP対称性の破れ位相 $ \eta $ を含む。
• LSND、MiniBooNE（ニュートリノおよび反ニュートリノ）、原子炉異常、消滅データを$ \chi^2 $解析を用いてグローバルフィットする。
• 3+1および3+2スキームの適合度を比較し、後者では適合度が向上（0.24% 対 0.0016%）していることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの無菌ニュートリノは、LSNDおよびMiniBooNEの短基準長異常を同時に説明できるか？
• RQ2 なぜMiniBooNEのニュートリノと反ニュートリノデータはCP対称性の破れの緊張を示し、無菌ニュートリノフレームワーク内で解消可能か？
• RQ3 短基準長実験における出現データと消滅データの不一致は、3+1無菌ニュートリノモデルと整合するか？
• RQ4 2つの無菌ニュートリノを含む3+2ニュートリノ混合スキームは、出現、消滅、CP対称性の破れのデータを同時に適合させ、より整合性を高められるか？
• RQ5 残存する緊張が、非標準的相互作用やCPT対称性の破れを含む、標準模型を超える新しい物理にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 3+1無菌ニュートリノモデルでは、MiniBooNEのニュートリノと反ニュートリノ結果の間のCP対称性の破れの緊張により、両方のデータを同時に適合させられない。
• 3+2スキームで2番目の無菌ニュートリノを追加することで、CP対称性の破れ位相 $ \eta = 1.51\pi $ を取り入れられ、ニュートリノと反ニュートリノの緊張が解消される。
• 3+2モデルにおける最良適合パラメータは $ \Delta m^2_{41} = 0.90\,\text{eV}^2 $、$ |U_{e4}|^2 = 0.017 $、$ |U_{\mu 4}|^2 = 0.019 $、$ \Delta m^2_{51} = 1.61\,\text{eV}^2 $、$ |U_{e5}|^2 = 0.018 $、$ |U_{\mu 5}|^2 = 0.0058 $ である。
• 3+2スキームでは適合度が0.24%に達し、3+1スキームの0.0016%よりも顕著に向上したが、依然として持続的なデータの不一致のため低水準のままである。
• 出現・消滅の緊張は解消されていない。$ \bar{\nu}_e $ および $ \bar{\nu}_\mu $ の消滅信号が原子炉実験で観測されていないため、その要請を満たさない。
• パラメータ空間における許容領域は、以前の研究よりも広がっており、これはBugey-3スペクトルデータの取り扱い方の違いや、低 $ \Delta m^2 $ における $ \chi^2 $ のゆがみ（うねり）に起因している可能性が高い。