[논문 리뷰] Light Sterile Neutrino Mass Matrix with Texture Zero and a Vanishing Mass

Newton Nath, Monojit Ghosh외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 02.

Neutrino Physics Research참고 문헌 22인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 3+1 시나리오—세 개의 활성 중성미자에 eV 규모의 비활성 중성미자를 추가한 경우—에서 4×4 중성미자 질량 행렬을 제안하며, 하나의 텍스처 제로와 하나의 영이 되는 질량을 갖는다. 이러한 조건 하에서 가능한 모든 일중 텍스처를 분석함으로써, 일곱 개인 현상학적으로 타당한 텍스처를 규명하였으며, 이는 비활성 혼합 매개변수와 효과적 메이저라 중성미자 질량 사이의 상관관계를 드러내며, 단거리 기반 진동과 천체물리학에 영향을 미친다.

ABSTRACT

We present a detailed analysis and phenomenological implications of a singular neutrino mass matrix $M_{ u}$ with one-zero texture in the flavor basis where the active neutrino sector is extended by one sterile neutrino. Observations of short-baseline neutrino oscillation experiments require the existence of one or more eV scale sterile neutrinos. The minimal scheme that can fit the data and consistent with the cosmological observations, is where the active neutrino sector is extended by one light sterile neutrino, heavier than the three active neutrinos. In this 3+1 scenario, the low energy neutrino mass matrix $M_{ u}$ is a $4 imes 4$ matrix and has 10 independent elements. Thus it can have 10 possible one-zero textures. With the assumption of one vanishing neutrino mass and a texture zero, we find that only seven of these $M_{ u}$ are phenomenologically allowed by the current neutrino oscillation data. We also study the correlations between the sterile mixing parameters of these allowed textures and their phenomenological implications on the effective Majorana mass.

연구 동기 및 목표

• 3+1 시나리오에서 하나의 텍스처 제로와 하나의 영이 되는 질량을 갖는 4×4 중성미자 질량 행렬의 현상학적 타당성을 탐색하는 것.
• 현재의 단거리 기반 중성미자 진동 데이터와 일치하는 10개의 가능한 일중 텍스처 중 어느 것이 가능한지 규명하는 것.
• 타당한 텍스처에서 비활성 혼합 매개변수와 효과적 메이저라 질량 사이의 상관관계를 연구하는 것.
• 제안된 비활성 중성미자 모델이 천체물리학적으로 일관된지 평가하는 것.

제안 방법

• 한 개의 텍스처 제로와 하나의 영이 되는 고유값을 갖는 풍미 기저에서 4×4 중성미자 질량 행렬 $M_{\nu}$ 를 구성하는 것.
• 단거리 기반 중성미자 진동 데이터에서의 제약 조건을 적용하여 타당한 일중 텍스처를 걸러내는 것.
• 3+1 중성미자 혼합 프레임워크를 사용하여 질량 행렬의 구조와 혼합 각도, 질량 분리 간의 관계를 설정하는 것.
• 각 타당한 텍스처에 대해 효과적 메이저라 질량을 계산하여 무중성미자 이중베타 붕괴에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 주어진 제약 조건 하에서 질량 행렬의 매개변수 공간을 체계적으로 스캔하는 것.
• 예측 결과를 비활성 중성미자 밀도와 질량에 대한 천체물리학적 제약 조건과 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 4×4 중성미자 질량 행렬에서 하나의 영이 되는 질량을 갖는 경우, 10개의 가능한 일중 텍스처 중 현재의 단거리 기반 중성미자 진동 데이터와 일치하는 것은 무엇인가?
• RQ2 현상학적으로 허용된 텍스처에서 비활성 혼합 각도와 효과적 메이저라 질량 사이의 상관관계는 어떻게 되는가?
• RQ3 타당한 텍스처의 천체물리학적 함의는 무엇인가, 특히 비활성 중성미자 과잉 생성에 대한 영향은?
• RQ4 텍스처 제로와 영이 되는 질량 제약 조건이 3+1 모델의 매개변수 공간을 물리적으로 타당한 부분으로 줄일 수 있는가?
• RQ5 허용된 텍스처에서의 혼합 패턴은 무중성미자 이중베타 붕괴에 대한 예측에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 현재의 단거리 기반 중성미자 진동 데이터로 제약을 받는 4×4 질량 행렬의 10개 가능한 일중 텍스처 중 오직 7개만 현상학적으로 타당하다.
• 타당한 텍스처는 비활성 혼합 각도와 효과적 메이저라 질량 사이에 뚜렷한 상관관계를 보이며, 향후 실험에서 검증 가능하다.
• 한 개의 영이 되는 중성미자 질량을 가정하는 것은 타당한 텍스처의 수를 크게 줄여 예측 가능성을 높인다.
• 허용된 텍스처는 천체물리학 관측 결과와 일관되며, 특히 비활성 중성미자 과잉 생성을 억제하는 데 기여한다.
• 타당한 텍스처에서의 효과적 메이저라 질량 범위는 향후 무중성미자 이중베타 붕괴 실험의 감도 범위 내에 유지된다.
• 텍스처 제로 구조는 혼합 행렬, 특히 비활성 영역에 비정상적인 제약 조건을 부과하여 매개변수 공간의 딱지성(degeneracy)을 감소시킨다.