[論文レビュー] Study of the wave packet treatment of neutrino oscillation at Daya Bay

Fengpeng An, A. B. Balantekin+218 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2016

Neutrino Physics Research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、デイアバ バー原子炉ニュートリノ実験において、波パケットモデルを用いて標準的な平面波近似からのずれをテストするニュートリノの振動を調査した。9つの基準長における高統計的反ニュートリノデータを分析することで、相対的固有運動量分散 σ_rel に対する最初の実験的限界が得られ、95%信頼水準で 2.38×10⁻¹⁷ < σ_rel < 0.23 であると判明した。検出器および原子炉の寸法を考慮した場合、上界は σ_rel < 0.20 に改善された。

ABSTRACT

The disappearance of reactor $\barν_e$ observed by the Daya Bay experiment is examined in the framework of a model in which the neutrino is described by a wave packet with a relative intrinsic momentum dispersion $σ_ ext{rel}$. Three pairs of nuclear reactors and eight antineutrino detectors, each with good energy resolution, distributed among three experimental halls, supply a high-statistics sample of $\barν_e$ acquired at nine different baselines. This provides a unique platform to test the effects which arise from the wave packet treatment of neutrino oscillation. The modified survival probability formula was used to fit Daya Bay data, providing the first experimental limits: $2.38 \cdot 10^{-17} &lt; σ_{ m rel} &lt; 0.23$. Treating the dimensions of the reactor cores and detectors as constraints, the limits are improved: $10^{-14} \lesssim σ_{ m rel} &lt; 0.23$, and an upper limit of $σ_{ m rel} &lt;0.20$ is obtained. All limits correspond to a 95\% C.L. Furthermore, the effect due to the wave packet nature of neutrino oscillation is found to be insignificant for reactor antineutrinos detected by the Daya Bay experiment thus ensuring an unbiased measurement of the oscillation parameters $\sin^22θ_{13}$ and $Δm^2_{32}$ within the plane wave model.

研究の動機と目的

• 固有運動量分散を伴う波パケット取り扱いを導入することで、ニュートリノ振動における平面波近似の妥当性を検証すること。
• デイアバ バー実験の高精度な原子炉反ニュートリノデータを用いて、相対的固有運動量分散 σ_rel を制約すること。
• 波パケット効果が、sin²2θ₁₃ および Δm²₃₂ の測定に測定可能なデコherence やバイアスを引き起こすかどうかを評価すること。
• 原子炉コアおよび検出器の寸法から得られる物理的制約を組み込むことで、σ_rel の限界を改善すること。
• 波パケット効果が、平面波モデルにおけるニュートリノ振動パラメータのバイアスのない決定に顕著に影響するかどうかを同定すること。

提案手法

• 局在化項 D²kj およびコherencte 長 Lcoh を含む、波パケット効果を組み込んだ修正されたニュートリノ生存確率式を用いた。
• 3つの実験ホールおよび8台の検出器を用いて、9つの異なる基準長で収集されたデイアバ バーの高統計的反ニュートリノデータに、波パケットモデルをフィットさせた。
• カイ二乗/自由度（χ²/ndf）最小化手法を用い、波パケットモデルと標準的な平面波モデルを比較した。統計的推論にはp値および95%信頼水準を用いた。
• 原子炉コアおよび検出器の寸法から導かれるニュートリノ波パケットの空間的幅（σx）の物理的制約を組み込み、σ_rel の境界を精緻化した。
• σ_rel の境界を物理的スケールとして解釈するため、コherencte 長 Lcoh およびデコherence 長 Ld を計算した。
• 測定された原子炉反ニュートリノの平均運動量 p = 4 MeV を用い、σx ≈ 1/(2σp) を通じて σrel の境界を空間幅 σx の境界に変換した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デイアバ バー実験において、ニュートリノ振動の波パケット取り扱いは、平面波モデルからの測定可能なずれを生じるか？
• RQ2 原子炉反ニュートリノの相対的固有運動量分散 σ_rel に対する実験的限界は何か？
• RQ3 原子炉コアおよび検出器の寸法からの物理的制約は、σ_rel の境界にどのように影響するか？
• RQ4 デイアバ バー実験において、波パケット効果は sin²2θ₁₃ および Δm²₃₂ の測定にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 波パケットの広がりによるデコherence 効果は、振動パラメータの決定にバイアスを及げるほど顕著か？

主な発見

• 相対的固有運動量分散 σ_rel に対する最初の実験的限界が、95%信頼水準で 2.38×10⁻¹⁷ < σ_rel < 0.23 として確立された。
• 原子炉コアおよび検出器の寸法からの物理的制約を適用した場合、下限が σ_rel > 10⁻¹⁴ に改善され、局在化項 D²kj が無視できる領域に対応するようになった。
• これらの物理的制約のもとで、95%信頼水準で改善された上界 σ_rel < 0.20 が得られ、波パケット効果が測定された振動パラメータに対して無視できることが示された。
• ニュートリノ波パケットの空間幅は 10⁻¹¹ cm ≲ σx ≲ 2 m に制限され、下限により σx ≳ 1 km である可能性は除外された。
• 最良適合の波パケットモデルでは χ²/ndf = 245.9/(256−4) であり、p値は 0.596 であった。これは平面波モデルのp値 0.614 よりわずかに低く、波パケットモデルに顕著な好ましさは認められなかった。
• デイアバ バー実験におけるニュートリノ振動の波パケット性に起因するデコherence 効果は、原子炉反ニュートリノに対して有意に小さく、平面波モデル内での sin²2θ₁₃ および Δm²₃₂ のバイアスのない測定が保証された。