[論文レビュー] Bounds on tau neutrino magnetic moment and charge radius from Super-K and SNO observations

Anjan S. Joshipura, Subhendra Mohanty|ArXiv.org|Aug 2, 2001

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、スーパーカムイオカンデ（Super-K）およびSNO実験の太陽ニュートリノデータを用い、電子ニュートリノの振動から生じる太陽の天然の$ν_\tau$フラックスを活用して、タウニュートリノの磁気モーメントおよび電荷半径に対する厳密な上限を設定した。得られた上限は$\mu_\tau < 10^{-9}\mu_B$および$|\langle r^2 \rangle_{\nu_\tau}| < 10^{-31}\,\text{cm}^2$であり、従来の地上実験の上限よりも3桁も厳密である。

ABSTRACT

Neutrinos can scatter electrons in water detectors through their magnetic moments and charge radii in addition to the charged and neutral currents channels. The recent solar neutrino charged current event rates announced by SNO with the earlier solar and atmospheric neutrino observations from Super-Kamiokande allows us to put upper bounds of $μ&lt;10^{-9} μ_B$ on neutrino magnetic moments and $ &lt; 10^{-31} cm^2$ on the neutrino charge radii. For the electron and muon neutrinos these bounds are comparable with existing bounds but for tau neutrinos these bounds are three orders of magnitude more stringent than earlier terrestrial bounds. These bounds are independent of any specific model of neutrino oscillations.

研究の動機と目的

• 地上実験では$\nu_\tau$源が不足しているため、依然として正確に測定されていないタウニュートリノの電磁形式因子を制限すること。
• 8Bニュートリノの振動によって生じる太陽の天然の$\nu_\tau$供給源を活用し、その磁気モーメントおよび電荷半径に関する新たな厳密な制限を導出すること。
• スーパーカムイオカンデの弾性散乱データとSNOの荷電現在測定データを組み合わせ、モデルに依存しない方法で$\nu_\tau$の電磁的性質に関する制限を提供すること。
• ステルラーニュートリノ混合や共鳴的スピン・フラバー・プリセッションといった代替的な太陽ニュートリノ解を考慮した場合の、これらの制限の頑健性を検討すること。

提案手法

• スーパーカムイオカンデの弾性散乱率とSNOの荷電現在検出を組み合わせ、弱い中性および荷電現在に加えて電磁的相互作用の寄与を分離する。
• 8B太陽ニュートリノの$P_{ee} = 0.347$という測定値を用い、全フラックスの約1/3が$\nu_\tau$であると推定し、$\nu_\tau$の電磁的性質の研究を可能にする。
• 量子電磁力学および弱い相互作用理論から導かれる、磁気モーメントおよび電荷半径に起因する$\nu e$弾性散乱の理論的断面積式を適用する。
• 観測された散乱率と標準模型の弱い相互作用および電磁的寄与の予測値を比較することで、電磁形式因子の上限を導出する。
• 標準太陽模型のニュートリノフラックスにおける不確実性（20%および5%の変動）を考慮し、制限値の誤差範囲を推定する。
• ステルラーニュートリノ混合や共鳴的スピン・フラバー・プリセッションといった代替解に一般化するため、活性ニュートリノの有効フラックス分率を調整する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽ニュートリノデータを用いた、タウニュートリノの磁気モーメントに関する最も厳しいモデルに依存しない上限は何か？
• RQ2 $\nu_\tau$の電磁形式因子に関する制限は、既存の地上実験の上限と比べてどのように異なるか？
• RQ3 太陽ニュートリノフラックスの不確実性が、$\nu_\tau$の磁気モーメントおよび電荷半径に関する導出制限に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 太陽ニュートリノ解がステルラーニュートリノ混合や共鳴的スピン・フラバー・プリセッションを含む場合でも、同様の方法で信頼できる制限を得られるか？
• RQ5 太陽ニュートリノビームにおける$\nu_\tau$の$\nu_e$および$\nu_\mu$に対するフラックス比を仮定した場合、制限値への感度はどの程度か？

主な発見

• 本論文は、90%信頼水準で$\mu_\tau < 6.73 \times 10^{-10}\mu_B$という上限を確立した。これは、従来の最良の地上実験の上限よりも3桁も厳密である。
• タウニュートリノの電荷半径に関する上限は$|\langle r^2 \rangle_{\nu_\tau}| < 2.08 \times 10^{-31}\,\text{cm}^2$であり、これは散乱実験から得られる初めての制限である。
• 電子ニュートリノに関しては、$\mu_e < 6.45 \times 10^{-10}\mu_B$という上限が得られ、以前のスペクトル歪み解析の結果よりも5倍弱い。
• ステルラーニュートリノ混合（$\sin^2\alpha = 0.3$）のシナリオでは、$\mu_\tau$の上限は$1.68 \times 10^{-9}\mu_B$に上昇するが、依然として地上実験の上限をはるかに上回る。
• 共鳴的スピン・フラバー・プリセッション（RSFP）シナリオでは、$\mu_\tau$の上限は$0.767 \times 10^{-9}\mu_B$となり、異なる太陽ニュートリノ解に対しても制限が頑健であることが示された。
• 分析により、高フラックスと自然なフレーバー混合を持つことから、太陽ニュートリノは地上源に比べて$\nu_\tau$の電磁的性質を調べる優れたプローブであることが確認された。