[論文レビュー] Macro-coherent two photon and radiative neutrino pair emission

M. Yoshimura, Chiaki Ohae+5 more|ArXiv.org|May 14, 2008

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、円柱型標的内の位相的に整合した三準位原子系において、超放射性効果を活用して禁制遷移を強化することで、マクロな位相的二光子放出（MCTPE）および放射性ニュートリノ対放出を提案する。MCTPEは、Δ/2における鋭いピークを示し、背中合わせの光子を発生させ、発光率はn²Vに比例する。一方、放射性ニュートリノ対放出は、Δ/2近傍でしきい値上昇を示し、~50 meVに達するまで測定可能なエネルギーシフトを介して、正確なニュートリノ質量分光法を可能にする。

ABSTRACT

We discuss a possibility of detecting a coherent photon pair emission and related radiative neutrino pair emission from excited atoms. It is shown that atoms of lambda- and ladder-type three level system placed in a pencil-like cylinder give a back to back emission of two photons of equal energy $Δ/2$, sharply peaked with a width $\propto $ 1/(target size) and well collimated along the cylinder axis. This process has a measurable rate $\propto$ (target number density) $^2 imes$ target volume, while a broader spectral feature of one-photon distribution separated by (mass sum of a neutrino pair)$^2/(2Δ)$ from the two photon peak may arise from radiative neutrino pair emission, with a much smaller rate.

研究の動機と目的

• マクロな位相的二光子放出（MCTPE）が、マクロな原子標的に超放射性効果によって測定可能な発光率にまで増幅可能かどうかを検討すること。
• 特に軽量ニュートリノおよび残余ニュートリノを対象として、ニュートリノ質量分光法のプローブとしての放射性ニュートリノ対放出を調査すること。
• 集団的原子位相整合によって、禁制遷移（例：E2、弱い相互作用）が測定可能なレベルまで超放射性効果によって強化されることを示すこと。
• MCTPEと放射性ニュートリノ対放出を、明確な角度的およびスペクトル的特徴によって区別すること。
• 光子スペクトルのしきい値エネルギーシフトを用いた、正確なニュートリノ質量測定手法の確立

提案手法

• オンシェル状態を仮定し、S行列法を用いて発光率を計算する。ダーク状態は二つのレーザーを用いた励起により、|1⟩と|3⟩の重ね合わせ状態として位相的に準備される。
• 系を一様な密度nと体積Vを持つ鉛筆型の円柱に配置されたλ型またはラダー型の三準位原子としてモデル化する。
• 発光率の導出にあたって、形状因子F(K)を用い、標的体積のフーリエ変換に比例する。これにより、Δ/2で鋭いピークを示す発光が得られる。
• 同じ形式を放射性ニュートリノ対放出に適用し、弱い相互作用行列要素と、Ueiによるニュートリノ質量固有状態の混合を組み込む。
• 運動的制約、位相空間積分、およびメジャナ型ニュートリノの干渉項を含む微分発光率d²Γ/dωdcosθを計算する。
• 数値積分を用いてエネルギースペクトルおよび角度分布を計算し、ωij = Δ/2 − (mi + mj)²/(2Δ)におけるしきい値挙動を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マクロな位相的二光子放出が、マクロな原子標的において超放射性効果によって測定可能な発光率にまで増幅可能か？
• RQ2 位相的に整合した原子系からの放射性ニュートリノ対放出が、ニュートリノ質量の決定のためのしきい値信号を提供可能か？
• RQ3 MCTPEと放射性ニュートリノ対放出を区別するための明確なスペクトル的および角度的特徴は何か？
• RQ4 放射性ニュートリノ対放出の発光率は、標的サイズおよびニュートリノ質量に対してどのように依存するか？
• RQ5 繰り返しレーザー駆動によって、希少なニュートリノ対放出事象の検出に十分な長さの位相整合が維持可能か？

主な発見

• MCTPEの発光率はn²Vに比例し、Δ/2で鋭いスペクトルピークを示し、円柱軸に沿って非常に収束した発光を示す。これにより、独立したキャリブレーションなしにΔ/2の正確なエネルギー測定が可能になる。
• 放射性ニュートリノ対放出の発光率は、ωij = Δ/2 − (mi + mj)²/(2Δ)でしきい値上昇を示し、m3 = 50 meVの場合の数値的推定で5 meVのエネルギーシフトが得られ、ニュートリノ質量の直接的プローブが可能になる。
• 放射性ニュートリノ対放出の角度分布は広く、特に円柱軸に垂直な方向ではほぼ等方的であり、これに対してMCTPEは収束した発光を示すため、明確に区別可能である。
• 放射性ニュートリノ対放出の微分発光率には、メジャナ型ニュートリノ統計に起因する干渉項が含まれており、k(M)ij ∝ |cij(0)|² − 3|cij(s)|²の形で表され、質量固有状態の区別に不可欠である。
• d ≈ 20 μmおよびl ≈ 2 mmの場合、エネルギースペクトルにジャコビアンピークがしきい値で確認され、ニュートリノ質量スケールの検出可能性が裏付けられる。
• 放射性ニュートリノ対放出の全発光率は、標的サイズに対して弱い対数的依存性を示し、∝ V(1 + O[ln(d)])の形で、体積増大に伴いわずかに増幅される。