[論文レビュー] Will MINOS see new physics?

Noriaki Kitazawa, Hiroaki Sugiyama+1 more|ArXiv.org|Jun 1, 2006

Neutrino Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、長基準長実験における物質との間のモデルに依存しない非標準的ニュートリノ相互作用（NSI）を調査し、MINOSにおいて標準模型予測をはるかに上回る$\nu_\mu \to \nu_e$遷移確率が非標準的相互作用によって著しく増幅されることを示している。高エネルギー領域では、ニュートリノファクトリーにおける$\nu_e \to \nu_\tau$遷移がほぼ1に達する可能性があり、銀のチャンネルは新しい物理の感受性を持つ。

ABSTRACT

The effect of non-standard neutrino interactions with matter at long baseline neutrino experiments is examined in a model independent way, taking into account the constraints from all the experiments. It is found that such a non-standard interaction can enhance the flavor transition probability so significantly that the ongoing experiment MINOS may see the signal of $ν_μ oν_e$ which is much more than the prediction by the standard scenario. It is also found that the silver channel $ν_e oν_τ$ at a neutrino factory could have a huge enhancement.

研究の動機と目的

• モデルに依存しない非標準的ニュートリノ相互作用（NSI）が長基準長ニュートリノ振動実験に与える影響を評価すること。
• 既存のニュートリノデータによって制約されたNSIが、標準的振動予測からの観測可能なずれを生じるかどうかを評価すること。
• 特にMINOSおよびニュートリノファクトリーの銀のチャンネルを含む、NSI効果に最も感受性が高い実験的チャンネルを特定すること。
• NSI誘発遷移が標準的振動シグナルと区別可能となる条件を同定すること。

提案手法

• NSIの有効な4フェルミオンラグランジアンを用いる：$\mathcal{L}_{\text{eff}}^{\text{NSI}} = -2\sqrt{2}\, \epsilon_{\alpha\beta}^{fP} G_F (\bar{\nu}_\alpha \gamma_\mu P_L \nu_\beta)(\bar{f}\gamma^\mu P f)$、ここで$f = e,u,d$。
• 物質中でのニュートリノ伝播のハミルトニアンにNSI項を組み込む：$\mathcal{H} = U \text{diag}(0, \Delta m_{21}^2/2E, \Delta m_{31}^2/2E) U^\dagger + A \cdot \epsilon_{\alpha\beta}$、ここで$A \sim 10^{-13}$ eVで、$\epsilon_{\alpha\beta}$はNSIパラメータ。
• 大気、太陽、原子炉、加速器ニュートリノ実験からの制約を適用して$\epsilon_{\alpha\beta}$の大きさを制限し、標準的物質ポテンシャルと同程度（$O(1)$）の大きさを許容する。
• MINOSにおける$P(\nu_\mu \to \nu_e)$および$L = 3000$ km、$E_\mu = 50$ GeVのニュートリノファクトリーにおける$P(\nu_e \to \nu_\tau)$の振動確率の数値シミュレーションを実施。
• 特にエネルギー依存性を分析し、$|\Delta m^2_{jk}|/E \to 0$となる高エネルギー領域で、$\epsilon_{\alpha\beta}$に支配されるエネルギーに依存しない遷移が生じることを検証。
• 標準的振動予測との比較を通じて、NSIのシグネチャーを特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物質との非標準的ニュートリノ相互作用は、MINOS実験における$\nu_\mu \to \nu_e$出現確率を著しく増幅させ得るか？
• RQ2 ニュートリノファクトリーにおける$P(\nu_e \to \nu_\tau)$の最大増幅はどの程度であり、どのような条件下でエネルギーに依存しなくなるか？
• RQ3 既存のニュートリノ実験からの制約は$\epsilon_{\alpha\beta}$の大きさをどのように制限し、長基準長実験で観測可能な効果を残すか？
• RQ4 標準的振動パラメータが小さい場合でも、ニュートリノファクトリーにおける銀のチャンネル$\nu_e \to \nu_\tau$が、大規模なNSI効果を感受する感度を持つとされるか？
• RQ5 信号が観測された場合、NSI効果と標準的ニュートリノ振動を区別するための実験的戦略は何か？

主な発見

• MINOSにおける$\nu_\mu \to \nu_e$出現確率は、非標準的相互作用により、現在の$\theta_{13}$の上限値であっても、標準模型の予測を著しく上回る値に増幅される可能性がある。
• 最も楽観的な状況では、MINOSにおける観測された$\nu_e$イベントレートは、標準的振動と矛盾する可能性があり、NSIによる新しい物理の明確なシグナルとなる。
• ニュートリノファクトリーの高エネルギー領域では、$O(1)$のNSIパラメータのおかげで$\nu_e \to \nu_\tau$遷移確率がほぼ1にまで増幅され、ほぼ最大遷移となる。
• 高エネルギー領域における$\nu_e \to \nu_\tau$確率は、標準的振動項$|\Delta m^2_{jk}|/E$が消えるため、エネルギーに依存しなくなり、残りの唯一の支配的要因はNSI項となる。
• 銀のチャンネル$P(\nu_e \to \nu_\tau)$はNSIに対して特に感受性が高く、$\epsilon_{\alpha\beta}$が1次元に近い場合に$P \simeq 1$に達する可能性がある。
• MINOSで信号が観測されない場合でも、$\epsilon_{\alpha\beta}$の許容されるパラメータ空間を制限することができ、今後の実験に貴重な情報を提供する。