[論文レビュー] Time- and Space-Varying Neutrino Mass Matrix from Soft Topological Defects

Gia Dvali, Lena Funcke+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2021

Neutrino Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、再結合後の宇宙における遅発的相転移によって生じる、重力によって誘発される軟らかな位相的欠陥（スキュルミオン、モノポール、ストリング、ドメインウォールなど）から、時間的・空間的変動を示すニュートリノ質量行列が生じることを提案する。これらの欠陥は、ニュートリノフレーバー対称性の自発的破れに起因し、重力的真空感受率によって生じる。今後のニュートリノ実験で観測可能なシグナチャーが得られ、ディラック型とメジャノ型ニュートリノの区別が可能となる可能性がある。

ABSTRACT

We study the formation and evolution of topological defects that arise in the post-recombination phase transition predicted by the gravitational neutrino mass model in [Dvali, Funcke, Phys. Rev. D 93, 113002 (2016)]. In the transition, global skyrmions, monopoles, strings, and domain walls form due to the spontaneous breaking of the neutrino flavor symmetry. These defects are unique in their softness and origin; as they appear at a very low energy scale, they only require Standard Model particle content, and they differ fundamentally depending on the Majorana or Dirac nature of the neutrinos. One of the observational signatures is the time dependence and space dependence of the neutrino mass matrix, which could be observable in future neutrino experiments. Already existing data rule out parts of the parameter space in the Majorana case. The detection of this effect could shed light onto the open question of the Dirac versus Majorana neutrino nature.

研究の動機と目的

• 低エネルギー重力的ニュートリノ質量モデルにおける、ニュートリノフレーバー対称性の自発的破れに起因する位相的欠陥の形成と進化を調査すること。
• ニュートリノの性質（ディラック型対メジャノ型）が、ドメインウォールやストリングなどの結果的欠陥の種別と安定性に与える影響を特定すること。
• これらの欠陥から生じる時間的・空間的変動ニュートリノ質量行列の観測的シグナチャーを、今後のニュートリノおよび宇宙論的実験において探求すること。
• 特にドメインウォールおよびモノポール密度に関する既存データからの制約を分析することで、モデルの妥当性を評価すること。
• axionicドメインウォールの役割とその消失が、相転移のダイナミクスに応じてダーク放射やダークマターに寄与する仕組みを検討すること。

提案手法

• 重力的真空感受率条件 ⟨R̃R,R̃R⟩q→0 ≠ 0 を用いて相転移をモデル化し、重力における物理的θG項を示し、フェルミオン凝縮を引き起こす。
• キブル機構を適用して、フレーバー対称性の自発的破れに伴い、スキュルミオン、モノポール、ストリング、ドメインウォールなどの位相的欠陥の形成を記述する。
• 有効場理論を用いてニュートリノ凝集体 ⟨ν̄ν⟩ を記述し、ヒッグスに類似た複合場Φとの結合を記述し、有効ニュートリノ質量 mν ∼ ΛG を導出する。
• 欠陥のエネルギー密度および張力の計算：ドメインウォールネットワークの ρSW(t) ∼ σW t⁻¹ ∼ ΛG³ t⁻¹ で表され、σW ∼ ΛG³ / NF で与えられる。
• 周囲の物質と相互作用しないaxionicドメインウォール（DWs）のダイナミクスを分析し、効率的な消失とダーク放射の生成を検証する。
• 圧力差 δp ∼ mν ≤ 0.8 eV および φkボソン散乱による粘性 η を有する非位相的DWsの影響を評価し、消失率を決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノフレーバー対称性の自発的破れに起因する、重力的真空感受率によって誘発される軟らかな位相的欠陥は、どのように遅い宇宙で形成されるか？
• RQ2 ニュートリノがディラック粒子かメジャノ粒子かに依存して、欠陥の種別（スキュルミオン、モノポール、ストリング、ドメインウォール）はどのように変化するか？
• RQ3 これらの欠陥からどのように時間的・空間的変動ニュートリノ質量行列が生じるのか、その観測的シグナチャーは何か？
• RQ4 既存のデータは、特にメジャノ型の場合に、モデルのパラメータ空間にどのような制約を課えるか？
• RQ5 axionicドメインウォールおよびその消失は、ダーク放射またはダークマターにどのように寄与するか？また、これは相転移の種別（一次的・二次的）に依存するか？

主な発見

• スキュルミオン、モノポール、ストリング、ドメインウォールなどの位相的欠陥は、重力的真空感受率によって誘発される遅発的相転移の過程でキブル機構によって形成される。
• ドメインウォール・ストリングネットワークのエネルギー密度は ρSW(t) ∼ ΛG³ t⁻¹ とスケーリングし、1つのハッブル体積あたり約O(10)のドメインウォールが存在し、宇宙論的制約と整合的である。
• axionicドメインウォールは摩擦がないため、効率的に消失し、ηνボソンの崩壊からφkボソンが生成され、ダーク放射が生じる。
• 本モデルは、今後の実験でディラック型とメジャノ型ニュートリノの区別が可能な、時間的・空間的変動ニュートリノ質量行列の観測的予測を提示する。
• 既存のデータは、特にドメインウォールおよびモノポールの密度に関する制約により、メジャノ型の場合のパラメータ空間の一部をすでに除外している。
• 圧力差 δp ≤ 0.8 eV および φk散乱による低粘性を有する非位相的ドメインウォールは、急速に消失し、長期間にわたるネットワークの存在を希釈する。