[論文レビュー] Detecting the Neutrinos Mass Hierarchy from Cosmological Data

Lixin Xu, Qing-Guo Huang|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2016

Neutrino Physics Research被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ニュートリノ質量階層の記述を統一するために、新しい次元なしのパラメータ Δ = (m₃ − m₁)/(m₁ + m₃) を導入する。Δ > 0 は通常階層（NH）を、Δ < 0 は逆階層（IH）を示す。宇宙論的データ（Planck 2015、BAO、JLA SN、HST）を用いた解析では、NH がわずかに支持され、NH の場合、軽いニュートリノ質量は 95% 確信区間で 0.030 eV 未満に制限される。IH の場合、0.024 eV 未満である。

ABSTRACT

We propose a new parameterization to measure the neutrino mass hierarchy, namely $Δ=(m_3-m_1)/(m_1+m_3)$ which is dimensionless and varies in the range $[-1,1]$. Taking into account the results of neutrino oscillation experiments, $Δ$ is the unique parameter for determining all the masses of neutrinos, and a positive (negative) sign of $Δ$ denotes the normal (inverted) mass hierarchy. Adopting the currently available cosmic observations, we find that the normal mass hierarchy is slightly favored, and the mass of lightest neutrino is less than $0.030$ eV for the normal mass hierarchy and $0.024$ eV for the inverted mass hierarchy at $95\%$ confidence level.

研究の動機と目的

• 通常階層と逆階層を別々のケースとして扱わない、ニュートリノ質量階層の統一的パラメータ化を開発すること。
• 宇宙論的観測が通常階層と逆階層を区別できるかどうかを特定すること。
• 現在の宇宙論的データを用いて、統一フレームワーク下での最小ニュートリノ質量および全ニュートリノ質量を制約すること。
• CMBおよび物質パワースペクトルがニュートリノ質量階層と全ニュートリノ質量の両者に対してどの程度感度を持つのかを評価すること。

提案手法

• Δ = (m₃ − m₁)/(m₁ + m₃) という新しい次元なしのパラメータを導入し、[−1, 1] の範囲をとり、符号によってニュートリノ質量階層を一意に決定する。
• すべての3つのニュートリノ質量（m₁, m₂, m₃）を、振動実験から得られたニュートリノ質量二乗差とΔの関数として表現する。
• CosmoMCコードを改変し、6パrameter ΛCDMモデルにΔを追加の宇宙論的パラメータとして組み込む。
• 統合データセットとして、Planck 2015 LowTEB、TT、TE、EE；BAO DR12（6dFGS、MGS、BOSS CMASS/LOWZ）；JLA SN Ia；HST 2016 H₀ 測定値を用いる。
• 8本の独立したMCMCチェーンを用いてベイズ的パラメータ推定を行い、Δおよび派生パラメータの事後分布を導出する。
• ΔがCMBパワースペクトルおよび物質パワースペクトルに与える影響を分析し、全ニュートリノ質量の抑制効果に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの統一パラメータΔが、通常階層と逆階層の両方を効果的に記述できるか。
• RQ2 現在の宇宙論的観測がΔの値をどの程度制約し、どの階層が支持されるか。
• RQ3 CMBおよび物質パワースペクトルがニュートリノ質量階層と全ニュートリノ質量の両者に対して、どの程度感度を持つのか。
• RQ4 通常階層および逆階層の両方において、95% 確信区間での最も軽いニュートリノ質量の上限は何か。
• RQ5 Δを自由パラメータとして仮定したモデルが、固定階層を仮定した場合よりも、宇宙論的データにわずかにでもよく適合するか。

主な発見

• パラメータ Δ = (m₃ − m₁)/(m₁ + m₃) は、ニュートリノ質量階層の記述を効果的に統一し、Δ > 0 が通常階層、Δ < 0 が逆階層を示す。
• データは通常階層にわずかに傾いており、Δ > 0 がΔ < 0 よりも支持され、Δ = 0 は強く否定される。
• 95% 確信区間において、通常階層の場合は最も軽いニュートリノ質量が 0.030 eV 未満に制限され、逆階層の場合は 0.024 eV 未満である。
• 通常階層の場合は全ニュートリノ質量が 0.119 eV 未満、逆階層の場合は 0.135 eV 未満に制限される（95% CL）。
• CMBおよび物質パワースペクトルは、ニュートリノ質量階層そのものよりも、主に全ニュートリノ質量に感度を持つが、階層は質量分布に影響を与える。
• 全ニュートリノ質量が低い場合、Δ を自由パラメータとして扱うモデルが、宇宙論的データにわずかにでもよく適合し、通常階層を支持する。