[论文解读] A study of the scenario with nearly degenerate Majorana neutrinos

Francesco Vissani|ArXiv.org|Aug 28, 1997

Neutrino Physics Research被引用 55

一句话总结

本文研究了三种标准模型中微子近乎简并的马约拉纳费米子情形，其质量接近1 eV，该情形受宇宙学暗物质约束和太阳及大气中微子亏损的振荡数据所启发。研究结果表明，结合直接质量搜索、无中微子双贝塔衰变以及反应堆实验的约束，可对中微子混合矩阵和质量模式施加严格限制，使该情形在即将开展的实验中可被检验。

ABSTRACT

Motivated by cosmological considerations, and by the atmospheric and solar neutrino flux deficits, we consider the scenario in which the three Standard Model neutrinos are endowed with a nearly equal Majorana mass in the eV range. Combined constraints coming from (1) direct search for electron neutrino mass, (2) absence of neutrinoless double beta decay, and (3) unsuppressed electron neutrino flux in present reactor experiments, imply a quite well specified pattern of neutrino masses and mixing angles. We discuss the experimental tests of the model and comment on the features of this scenario.

研究动机与目标

• 探索质量在eV量级、与宇宙学暗物质约束一致的近乎简并马约拉纳中微子的唯象学影响。
• 在三种中微子质量几乎相等的场景下，将观测到的太阳和大气中微子通量亏损与中微子振荡相协调。
• 从无中微子双贝塔衰变和反应堆实验未观测到信号的条件出发，推导对中微子混合矩阵的约束。
• 识别未来几年内可证实或排除该情形的关键实验检验。
• 通过未来电子中微子消失实验，区分该真空振荡解与太阳中微子问题的MSW解。

提出的方法

• 在带电轻子质量为对角化的基底下使用中微子质量的拉格朗日量，其中Majorana质量矩阵为对称矩阵 $\mathcal{M}$。
• 应用幺正混合矩阵 $U$，通过 $\mathcal{M} = U^* m U^\dagger$ 将味本征态 $\nu_\ell$ 与质量本征态 $\nu_i$ 关联。
• 假设近乎简并的质量谱，其中 $m_{\nu_i} \approx m_0$，且小的能级分裂为 $\Delta m^2_{\odot} \approx 10^{-10}\ \text{eV}^2$，$\Delta m^2_{\text{atm}} \approx 10^{-2}\ \text{eV}^2$。
• 施加来自直接中微子质量搜索（如氚贝塔衰变）、无中微子双贝塔衰变（$0\nu\beta\beta$）未观测到信号，以及反应堆中微子实验的约束。
• 分析真空中的振荡振幅，特别是 $P_{ee}$，以评估能量谱畸变和季节性变化。
• 利用条件 $|U_{e1}|^2 = |U_{e2}|^2$ 推导出 $P_{ee}$ 中的抑制因子，可能降低谱畸变。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量约为 $m_0 \sim 1\ \text{eV}$ 的近乎简并马约拉纳中微子情形是否能同时解释宇宙学暗物质约束和观测到的太阳与大气中微子亏损？
• RQ2 无中微子双贝塔衰变实验未观测到信号，对中微子混合矩阵元施加了何种约束？
• RQ3 反应堆中微子实验未观测到信号，如何约束该情形下混合矩阵的结构？
• RQ4 未来电子中微子消失实验能否区分太阳中微子问题的真空振荡解与MSW解？
• RQ5 近乎简并的质量模式在多大程度上抑制了太阳中微子能量谱的畸变？

主要发现

• 质量约为 $m_0 \approx 1\ \text{eV}$ 的近乎简并马约拉纳中微子情形与热+冷暗物质模型的宇宙学约束一致。
• 共同质量标度 $m_0$ 仅比当前直接中微子质量搜索的上限小约两倍，因此在即将开展的实验中可被检验。
• 无中微子双贝塔衰变实验未观测到信号，意味着有效马约拉纳质量发生抵消，从而限制了混合矩阵元的组合。
• 反应堆实验未观测到信号，支持混合矩阵结构满足 $|U_{e1}|^2 \approx |U_{e2}|^2$，导致电子中微子生存振幅的抑制因子最高可达0.64。
• 真空振荡解仍可解释太阳中微子亏损，尽管由于抑制因子的存在，谱畸变程度降低。
• 未来电子中微子消失实验可区分该情形与MSW解，后者更偏好较大的 $|U_{e3}|^2$。