[論文レビュー] Cosmic Background Neutrinos Deflected by Gravity: DEMNUni Simulation Analysis

Beatriz Hernández-Molinero, C. Carbone+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2023

Neutrino Physics Research被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、DEMNUniシミュレーションを用いて、宇宙背景ニュートリノの重力的偏光角を質量に依存する式で計算する手法を開発し、重力がトリチウムベースの実験（例：Ptolemy）におけるディラック型とマヨラナ型ニュートリノの区別感度を向上させることを示している。最も軽いニュートリノは超相対論的で弱く偏光されるが、ヘリシティ反転のため、ディラック型とマヨラナ型の捕獲率に測定可能な差が生じる。重力はニュートリノの性質を探査する上で重要な要因である。

ABSTRACT

The local supercluster acts as a gravity deflection source for cosmic background neutrinos. This deflection by gravity changes the neutrino helicity and therefore has important consequences for ground based tritium capture experiments aimed at determining if the neutrino is Dirac or Majorana. Here we explore the deflection effect of the local supercluster using the higher resolution DEMNUni simulation suite and reaffirm our previous results. We show that the lightest neutrinos are ultra-relativistic enough to suffer little deflection by gravity and at the same time not relativistic enough to achieve the same capture rate for Dirac and Majorana cases. This means that the capture rate in Ptolemy-like experiments will be sensitive to the neutrino nature and that gravity deflection enlarges the difference between Majorana and Dirac rates. Moreover, using the relation between mass and momentum of the neutrinos frozen Fermi-Dirac distribution, we are able to calculate the deflection angle for different neutrino masses from the same set of neutrinos obtained from the simulation. Doing so, we provide a formula to compute the deflection angle for any neutrino mass, such that when cosmology detects an absolute neutrino mass, precise predictions can be made for tritium ground-based detectors on Earth aimed to determine neutrinos nature.

研究の動機と目的

• 大規模構造による重力的偏光が、宇宙背景ニュートリノのヘリシティ内容に与える影響を定量化すること。
• 複数のニュートリノ質量をシミュレートする計算の非現実的さを克服するため、1つの高分解能シミュレーションから質量依存の偏光式を導出すること。
• ディラックニュートリノのヘリシティ依存の断面積を組み込むことで、地上のトリチウム実験（例：Ptolemy）におけるニュートリノ捕獲率の予測を改善すること。
• 宇宙論的に絶対的ニュートリノ質量が測定された時点で、正確な率予測を可能にすること。
• 将来の実験における、ディラック型とマヨラナ型ニュートリノの区別に及ぼす重力の影響を評価すること。

提案手法

• 局所スーパクラスター内の質量 10^14 M☉ 以上のダークマターハローを通るニュートリノ軌道をモデル化する高分解能 DEMNUni シミュレーション・スイートを用いた。
• シミュレートされたハロー内の重力ポテンシャルとの相互作用を分析することで、異なる速度および質量のニュートリノの偏光角を計算した。
• シミュレーションから得られた凍結したフェルミ・ディラック運動量分布を用いて、偏光角の余弦の平均値をニュートリノ質量の関数としてフィッティング式に導出した。
• 偏光後の左巻きおよび右巻きニュートリノ密度を計算し、ディラック型とマヨラナ型の捕獲率差を評価した。
• 質量固有状態の寄与とヘリシティ依存断面積を用いて、トリチウムベースの検出器における捕獲率を式で計算した。
• 非一様な質量依存速度場と偏光効果を考慮することで、先行研究を再検証し、更新した。

Figure 1 : Deflection angle comparison between all neutrinos found in the simulation in blue versus neutrinos found inside haloes that satisfy $M>10^{15}\,M_{\odot}$ within 1.5 Mpc in red.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所スーパクラスターによる重力的偏光が、宇宙背景ニュートリノのヘリシティ内容にどのように影響を与えるか？
• RQ2 重力は、トリチウムベースの捕獲実験におけるディラック型とマヨラナ型ニュートリノの区別感度をどの程度向上させるか？
• RQ3 1つの宇宙論的シミュレーションから、導出された質量依存式を用いて、すべてのニュートリノ質量に対する偏光角を予測できるか？
• RQ4 重力の影響が、異なる質量固有状態におけるディラック型とマヨラナ型ニュートリノの捕獲率差に及ぼす定量的影響は何か？
• RQ5 相対論的および非相対論的ニュートリノの挙動は、地上検出器のニュートリノ性質への感度にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 1 meV の最も軽いニュートリノは超相対論的で、重力的偏光が最小限であるが、非相対論的すぎる挙動により、ディラック型とマヨラナ型の捕獲率に非デゲネラシーが生じるヘリシティ反転に感受可能である。
• 1 meV ニュートリノの場合、ディラック型捕獲率は 3.89 yr⁻¹、マヨラナ型は 5.46 yr⁻¹ であり、重力によるヘリシティ再分配のおかげで 40% の差が生じる。
• より重いニュートリノ（50 meV）では、ディラック型率は 0.09 yr⁻¹ に低下するが、マヨラナ型は 0.18 yr⁻¹ に達し、重力によるディラック型捕獲の2倍の抑制が生じている。
• 非相対論的ニュートリノにおいて、左巻きおよび右巻き状態がほぼデゲネラシーに近づくため、ヘリシティ反転の影響が捕獲率に顕著に現れる。
• 導出された式により、任意のニュートリノ質量に対する偏光角を正確に予測可能となり、将来の実験で捕獲率測定を解釈する際に重力を考慮できるようになる。
• 重力はヘリシティ内容を再分配することでディラック型捕獲率を低下させ、特に非相対論的ニュートリノにおいて、ディラック型とマヨラナ型の差を顕著に増幅させる。

(a) frequency