[論文レビュー] Visible neutrino decay at DUNE

Pilar Coloma, O. L. G. Peres|arXiv (Cornell University)|May 10, 2017

Neutrino Physics Research参考文献 52被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、重いニュートリノ（$\nu_3$）がより軽いニュートリノと新しい軽いスカラー（$\phi$）に崩壊する可視ニュートリノ崩壊に対するDeep Underground Neutrino Experiment（DUNE）の感度を調査している。メジャノワニュートリノを仮定することでヘリシティ反転崩壊が可能となり、DUNEはニュートリノ質量順序が最小のニュートリノ質量に依存して、90%信頼水準で$\tau_3/m_3 > 1.95{-}2.6 \times 10^{-10}$ s/eVの感度を示すと予想される。これは、この崩壊メカニズムを強力に検証できる。

ABSTRACT

If the heaviest neutrino mass eigenstate is unstable, its decay modes could include lighter neutrino eigenstates. In this case part of the decay products could be visible, as they would interact at neutrino detectors via mixing. At neutrino oscillation experiments, a characteristic signature of such \emph{visible neutrino decay} would be an apparent excess of events at low energies. We focus on a simple phenomenological model in which the heaviest neutrino decays as $ν_3 ightarrow ν_{1,2} + ϕ$, where $ϕ$ is a new light scalar. If neutrinos are Majorana particles the helicity-flipping decays would be observable (i.e., $ν o \barν+ ϕ$), leading to interesting observable consequences on the event rates. We compute the sensitivities of the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) to the couplings of the new scalar as a function of the lightest neutrino mass. Under the assumption that only the heaviest neutrino is unstable, and for a normal mass ordering, we find that DUNE will be sensitive to values of $τ_3/m_3 > 1.95 - 2.6 imes 10^{-10}$~s/eV (90\% C.L.) (depending on the lightest neutrino mass), where $τ_3$ and $m_3$ are the lifetime and mass of $ν_3$, respectively.

研究の動機と目的

• 可視ニュートリノ崩壊に対するDeep Underground Neutrino Experiment（DUNE）の感度を評価すること。ここで、崩壊生成物はアクティブニュートリノとの混合により検出可能である。
• 新しい軽いスカラー$\phi$を伴う$\nu_3 \to \nu_{1,2} + \phi$崩壊の素性をモデル化すること。メジャノワニュートリノの性質によりヘリシティ反転崩壊が可能となる。
• 可視崩壊による予想されるイベントレートの歪み、特に低エネルギー領域のイベント過剰（ピルアップ）を計算し、DUNEが崩壊カップリングを制約する能力を評価すること。
• 正のニュートリノ質量順序を仮定し、$\nu_3$のみが不安定であるとすると、$\nu_3$の寿命と質量の比$\tau_3/m_3$の下限を求める。
• DUNEの予想される感度を、太陽ニュートリノ、SN 1987A、長基線実験、および将来の原子炉実験からの既存の制約と比較し、DUNEが可視崩壊検出において独自の潜在的優位性を強調すること。

提案手法

• 本研究では、$\nu_3$が$\nu_{1,2}$と軽いスカラー$\phi$に崩壊する素性モデルを採用し、有効カップリング$g_{ij} \bar{\nu}_i \nu_j \phi$から得られる崩壊幅を用いる。
• 振動確率を再計算し、親ニュートリノと娘ニュートリノのエネルギー保存の破れを相対論的近似で扱うことで、可視崩壊寄与を組み込む。
• $\nu_3 \to \nu_1 + \phi$と$\nu_3 \to \nu_2 + \phi$の崩壊振幅の干渉項を形式的に入れ込み、検出器での出現確率に影響を与える。
• 物質効果を考慮するため、真空中の混合行列と質量差を物質補正済みのもの（$\tilde{U}^{r}, \tilde{\Delta}m^{2}_{ij}$）に置き換え、崩壊に起因する非ユニタリティを認識する。
• イベントレートの歪みをエネルギー関数としてモデル化し、崩壊生成物のエネルギーが低くなるため、低エネルギー領域に特徴的な過剰が生じる。
• DUNEの予想されるデータを崩壊仮説のもとでシミュレートし、さまざまな最小ニュートリノ質量の値に対して90%信頼水準での$\tau_3/m_3$の下限を導出することで感度を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DUNEは、崩壊生成物（$\nu_{1,2}$）が標準模型状態との混合によりアクティブで検出可能であるような可視ニュートリノ崩壊を検出可能か？
• RQ2 正の質量順序を仮定した場合、DUNEは$\nu_3 \to \nu_{1,2} + \phi$崩壊モードに対して$\tau_3/m_3$比のどの程度の感度を示すか？
• RQ3 崩壊振幅の干渉（$\nu_3 \to \nu_1 + \phi$ と $\nu_3 \to \nu_2 + \phi$）が、DUNEでの観測可能なイベントレートにどのように影響するか？
• RQ4 DUNEの可視崩壊検出感度は、太陽ニュートリノ、SN 1987A、長基線実験からの既存の制約と比べてどうか？
• RQ5 物質効果は可視ニュートリノ崩壊の検出にどのように影響するか？また、崩壊に起因する非ユニタリティがある状況で、振動確率はどのように変化するか？

主な発見

• 最小ニュートリノ質量が0.05 eVの場合、DUNEは90%信頼水準で$\tau_3/m_3 > 1.95 \times 10^{-10}$ s/eVの感度を示すと予想される。
• 最小ニュートリノ質量が0.1 eVの場合、DUNEの感度は$\tau_3/m_3 > 2.6 \times 10^{-10}$ s/eVに向上する（90%信頼水準）。
• 感度は最小ニュートリノ質量に依存し、質量が小さいほど相空間抑制が小さくなるため、より強い制約が得られる。
• 可視崩壊の特徴的なシグナルである低エネルギー領域のイベントピルアップは、非可視崩壊とは明確に異なるため、DUNEがこの現象を効果的に探査可能である。
• DUNEの感度は、将来のJUNOのような原子炉実験（95%信頼水準で$\tau_3/m_3 > 7.5 \times 10^{-11}$ s/eVの制約）を上回っており、可視崩壊の探査においてDUNEが優れた到達範囲を持つことが示唆される。
• 競合する崩壊チャネル間の干渉項を組み込むことで、イベントレート歪みが変化し、特定のパrameter領域で感度が向上する。