[論文レビュー] The Mystery of Neutrino Mixings

Guido Altarelli|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2011

Neutrino Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ニュートリノ質量および混合の現在の理解をレビューしており、大きなニュートリノ混合角が大統一理論（GUT）および超対称性（SUSY）と両立可能であることに注目し、重い右巻きニュートリノの崩壊によるレプトゲネシスが宇宙のバリオン非対称性を説明可能であると述べている。主な貢献は、特に非ゼロのθ₁₃混合角という実験的データを統合し、フレーバー物理学の妥当なモデルを制限する一貫性のある枠組みを構築したことにある。

ABSTRACT

In the last years we have learnt a lot about neutrino masses and mixings. Neutrinos are not all massless but their masses are very small. Probably masses are small because neutrinos are Majorana particles with masses inversely proportional to the large scale M of lepton number (L) violation, which turns out to be compatible with the GUT scale. We have understood that there is no contradiction between large neutrino mixings and small quark mixings, even in the context of GUTs and that neutrino masses fit well in the SUSY GUT picture. Out of equilibrium decays with CP and L violation of heavy RH neutrinos can produce a B-L asymmetry, then converted near the weak scale by instantons into an amount of B asymmetry compatible with observations (baryogenesis via leptogenesis). It appears that active neutrinos are not a significant component of Dark Matter in the Universe. A long list of models have been formulated over the years to understand neutrino masses and mixings. With the continuous improvement of the data most of the models have been discarded by experiment. The surviving models still span a wide range going from a maximum of symmetry, with discrete non-abelian flavour groups, to the opposite extreme of anarchy.

研究の動機と目的

• 最近のニュートリノ混合角に関する実験結果、特にθ₁₃を統合し、それらが理論的モデルに与える影響を評価すること。
• 重い右巻きニュートリノのCPおよびレプトン数違反崩壊によるレプトゲネシスが、観測されたバリオン非対称性を生成するメカニズムとして妥当であるかを評価すること。
• 現在の宇宙論的および振動データに基づいて、活性ニュートリノがダークマターの顕著な成分を占めているかどうかを評価すること。
• 特に三最大混合（TB）または二最大混合（BM）混合を含め、観測された混合パターンを説明するための離散的非アーベルフレーバー群の役割を検討すること。
• 現在のデータを踏まえて、反復的およびガリウムの異常、およびステアーブニュートリノの可能性といった異常状態の現状を評価すること。

提案手法

• 太陽、大気圏、原子炉および加速器実験（例：T2K、MINOS、KamLAND、DOUBLE CHOOZ）からのニュートリノ振動データの分析。
• PMNS混合行列を用いてニュートリノフレーバー遷移を記述し、特にθ₁₃混合角とその意味を強調。
• 高エネルギースケール（〜GUTスケール）でのレプトン数違反を伴う重い右巻きニュートリノを介したスイープ機構を用いて、小さなニュートリノ質量を説明。
• レプトゲネシスの評価：CPおよびL数違反を伴う重い右巻きニュートリノの非平衡崩壊をモデル化し、スファラロンを介してB-L非対称性をB非対称性に変換。
• 理論的モデル（恣意的から対称的フレーバー構造まで、例：非アーベル離散群を含む）を実験的制約と比較。
• 宇宙論的制約（例：核合成）、希少過程（例：μ→eγ）、直接的質量測定（例：0νββ崩壊）によるステアーブニュートリノおよび新物理への制約の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された非ゼロのθ₁₃混合角は、GUTおよびSUSYフレームワークに一貫して統合可能か？
• RQ2 重い右巻きニュートリノの崩壊によるレプトゲネシスは、宇宙の観測されたバリオン非対称性を生成するための妥当なメカニズムか？
• RQ3 反復的およびガリウムの異常はステアーブニュートリノの存在を示唆しているのか？ もしそうなら、何個で、どのくらいの質量か？
• RQ4 離散的非アーベルフレーバー群は、特に三最大混合や二最大混合を含む観測されたニュートリノ混合パターンを説明できるか？
• RQ5 今後の実験（例：Daya Bay、RENO、長基長距離ニュートリノ振動）は、ニュートリノ混合およびCP違反に関する残存不確実性をどのように解消するか？

主な発見

• T2K実験は、正常階層では90%信頼区間が0.03–0.28、逆階層では0.04–0.34の範囲でsin²2θ₁₃の2.5σの信号を報告しており、カビブォ角に近い値であることが示唆されている。
• MINOSは、正常階層では0–0.12、逆階層では0–0.19のより狭い90%信頼区間を報告しており、θ₁₃が小さいが非ゼロであることに合致している。
• DOUBLE CHOOZおよび他の原子炉実験は、θ₁₃をさらに制限する予定であり、Daya BayおよびRENOによる精度の向上が期待されている。
• 反復的異常（予測と観測された原子炉ニュートリノフラックスの差異）は未解決のままであるが、系統的不確実性がその一部を説明できる可能性がある。
• ガリウム異常は反復的異常よりも大きな混合角を示しており、両者がステアーブニュートリノに起因する場合、振動パラメータに矛盾が生じる可能性を示唆している。
• 宇宙論的データでは1つのステアーブニュートリノが許容されるが、核合成制約により2つ以上のステアーブニュートリノは不適切であり、もしあるならば非常に弱く結合されており、電子ボルト未満の質量でなければならないと示唆されている。