[논문 리뷰] Neutrino physics with the PTOLEMY project: active neutrino properties and the light sterile case

PTOLEMY Collaboration, Betti, M. G.외 55명|INFM-OAR (INFN Catania)|2019. 02. 14.

Neutrino Physics Research참고 문헌 146인용 수 50

한 줄 요약

논문은 트리튬에서의 중성미자 포집을 통한 우주 중성미자 배경(CNB)을 탐지하기 위한 PTOLEMY 프로젝트의 이론 프레임워크와 민감도 연구를 개략적으로 제시하며, 절대 중성미자 질량 스케일 및 경질 eV 규모의 스테레오 중성미자에 대한 함의를 포함한다.

ABSTRACT

The PTOLEMY project aims to develop a scalable design for a Cosmic Neutrino Background (CNB) detector, the first of its kind and the only one conceived that can look directly at the image of the Universe encoded in neutrino background produced in the first second after the Big Bang. The scope of the work for the next three years is to complete the conceptual design of this detector and to validate with direct measurements that the non-neutrino backgrounds are below the expected cosmological signal. In this paper we discuss in details the theoretical aspects of the experiment and its physics goals. In particular, we mainly address three issues. First we discuss the sensitivity of PTOLEMY to the standard neutrino mass scale. We then study the perspectives of the experiment to detect the CNB via neutrino capture on tritium as a function of the neutrino mass scale and the energy resolution of the apparatus. Finally, we consider an extra sterile neutrino with mass in the eV range, coupled to the active states via oscillations, which has been advocated in view of neutrino oscillation anomalies. This extra state would contribute to the tritium decay spectrum, and its properties, mass and mixing angle, could be studied by analyzing the features in the beta decay electron spectrum.

연구 동기 및 목표

• CNB의 직접 검출과 그것의 우주론/입자물리학적 함의를 동기화한다.
• β-붕괴 엔드포인트 및 CNB 포집 신호를 통해 절대 중성미자 질량 스케일에 대한 PTOLEMY의 민감도를 평가한다.
• β 스펙트럼과 CNB 탐지에 대한 경질 중성미자(eV 규모) 영향에 대해 탐구한다.
• 중성미자 질량의 배열 순서와 에너지 해상도가 탐지 전망과 사건률에 어떤 영향을 미치는지 평가한다.

제안 방법

• CNB 포집 속도를 트리튬에 대해 도출하고 이를 |U_{ei}|^2 및 clustering factors f_{c,i}와 같은 중성미자 질량 고유상과 연결한다.
• 검출기 에너지 해상도를 CNB 신호와 β 배경 모두를 주어진 FWHM Δ의 가우시안으로 컨볼루션하여 포함시킨다.
• 베이지안 프레임워크를 사용해 중성미자 질량 스케일 및 스테레오-중성미자 매개변수에 대한 PTOLEMY의 민감도를 예측한다.
• 제공된 공식에서 교차단면과 전약한 전자기 형식을 포함한 β 붕괴 배경 스펙트럼과 중성미자 포집 신호를 명시적으로 계산한다.
• 질량 배열이 포집 속도와 신호 특징에 미치는 영향을 mixing 요소 U_{ei}와 clustering 항을 통해 평가한다.

Figure 1 : Expected event rates versus electron energy $E_{e}$ in a direct-detection experiment like PTOLEMY (assuming 100 g of tritium source) near the $\beta$ decay endpoint for different lightest neutrino masses and energy resolutions. Solid lines represent the total event rates convolved with a

실험 결과

연구 질문

• RQ1 β-붕괴 엔드포인트 및 CNB 포집 신호로부터 표준 중성미자 질량 스케일에 대한 PTOLEMY의 민감도는 얼마인가?
• RQ2 Δ의 에너지 해상도가 β 배경 위에 CNB 포집 피크를 해상하는 능력에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 경질 중성미자(m ~ eV)의 expected impact가 β 스펙트럼과 CNB 포집 신호에 어떤 영향을 주는가, 특히 U_{e4}와 Δm^2_{41}를 통해?
• RQ4 은하계에서의 중성미자 질량 배열과 잠재적 클러스터링이 CNB 포집 속도를 어떻게 바꾸는가?

주요 결과

• Dirac 중성미자에 대한 100 g의 트리튬에서의 통합 CNB 포집 신호는 클러스터링 증가를 무시하면 연간 약 4건이다.
• Majorana 중성미자는 특정 질량/배열 조건하에서 더 큰 속도를 낼 수 있으며 최대 두 배까지 증가할 수 있다.
• 클러스터링에 의한 지역 잔류 중성미자 초과밀은 질량이 약 60 meV일 때 포집 속도를 10-20% 증가시키고 질량이 약 150 meV일 때는 약 200%까지 증가시킬 수 있다(준Halo 모델에 따라 다름).
• 경질 중성미자(m4 ~ 1 eV)의 존재는 β 스펙트럼을 수정하고 스펙트럼 특징과 혼합도를 분석함으로써 제약될 수 있으며, 특히 U_{e4}와 Δm^2_{41}를 통해 제약될 수 있다.
• 반전 배열에서의 운동학적 특징은 더 무거운 질량 고유상들로 인해 β 스펙트럼에서 뚜렷한 기울임 현상을 야기하며, 이는 진동 시나리오에 대한 모델 비의존적 핸들을 제공한다.
• 탐지 전망은 CNB 신호를 β 배경으로부터 구분하기 위한 충분한 에너지 해상도 달성에 크게 의존한다(Δ는 관련 질량 분리에 비해 작아야 한다).

Figure 2 : Relative error on the reconstructed lightest neutrino mass $m_{\rm lightest}$ as a function of the fiducial lightest neutrino mass $\hat{m}_{\rm lightest}$ and the energy resolution $\Delta$ , considering 10 mg yr (top), 1 g yr or 100 g yr (bottom) of PTOLEMY data and normal ordering. The