[論文レビュー] Short-baseline neutrino oscillations, Planck, and IceCube

John F. Cherry, Alexander Friedland+1 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、ニュートリノ混合を媒介する軽量ゲージボソンを有する隠れたセクターを調査し、短基底長振動異常、プランク宇宙論的データ、およびアイスキューブの宇宙線ニュートリノ測定値を組み合わせることで、隠れた力の媒介粒子質量 $ M \lesssim 0.3 $ GeV および結合定数 $ g_h > 10^{-6} $–$ 10^{-3} $ にきびしいうる制約を示している。このモデルは、活性ニュートリノと隠れたニュートリノの間でフレーバーの等衡化を $ \sim 1 $ MeV まで遅らせることが可能であり、宇宙論的制約を回避しながらも、将来的な実験で検証可能である。

ABSTRACT

We examine a framework with light new physics, which couples to the Standard Model only via neutrino mixing. Taking the hints from the short-baseline anomalies seriously and combining them with modern cosmological data and recent IceCube measurements, we obtain surprisingly effective constraints on the hidden force: keV $\lesssim M \lesssim0.3$ GeV for the mediator mass and $g_{h}>10^{-6}-10^{-3}$ for the coupling constant. Flavor equilibration between the hidden and active neutrinos can be delayed until temperatures of $\sim 1$ MeV, but not below $\sim 100$ keV. This scenario can be tested with next-generation Cosmic Microwave Background, IceCube, and oscillation experiments.

研究の動機と目的

• プランクの $ N_{\text{eff}} $ 測定から得られる宇宙論的制約と、短基底長ニュートリノ振動異常を調和させる。
• 隠れたニュートリノ相互作用が、$ \sim 1 $ MeV の $ e^+e^- $ 冻結温度未満で、活性ニュートリノと隠れたニュートリノの間のフレーバー等衡化を遅らせる可能性があるかどうかを調査する。
• 軽量の隠れたゲージボソンとスティーリング的性質の隠れたニュートリノを含むニュートリノ混合ポータルモデルのパラメータ空間を制約する。
• アイスキューブのペブニュートリノデータと将来的な実験感度を踏まえて、そのモデルの妥当性を評価する。
• 従来の文献における結論に反論し、等衡化が遅れることで、隠れた力が宇宙論的制約を回避可能であることを示す。

提案手法

• 標準模型のヒッグスと隔離されたヒッグス場を含む次元5のオペレーターを通じて、活性ニュートリノ $ \nu_a $ と隠れたニュートリノ $ \nu_h $ が混合する $ U(1)_h $-ゲージの隠れたセクターを用いる。
• 質量 $ M $ と結合定数 $ g_h $ を持つ質量のあるゲージボソン $ A' $ を用いて隠れた力をモデル化し、$ \nu_a \leftrightarrow \nu_h $ の遷移を一貫した振動過程として扱う。
• 有効ハミルトニアン形式を用いて振動確率とフレーバー変換率 $ \Gamma_{fc} = P(\nu_a \to \nu_h) \Gamma_{wi} $ を計算する。ここで $ \Gamma_{wi} $ は弱い相互作用の率である。
• 等衡化温度を $ \Gamma_{fc} $ とハッブル膨張率 $ \Gamma_{\text{exp}} \sim T^2 / M_{\text{pl}} $ を比較することで特定し、$ \Gamma_{fc} \gtrsim \Gamma_{\text{exp}} $ となる温度領域を同定する。
• 以下の制約を課す: (1) プランクによる $ N_{\text{eff}} = 3.15 \pm 0.23 $（初期の等衡化を制限）、(2) $ \sim 1 $ eV でのCMBニュートリノの自由行程、(3) アイスキューブのペブニュートリノの平均自由行程 $ > 50 $ Mpc。
• 量子ゼノン効果を用いて、等衡化の上限を制限し、衝突が頻繁すぎて振動が完了しない状況を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軽量ゲージボソンとスティーリング的ニュートリノを有する隠れたセクターは、プランクの $ N_{\text{eff}} $ 制約に反しない範囲で、短基底長ニュートリノ振動異常を説明できるか？
• RQ2 活性ニュートリノと隠れたニュートリノの間のフレーバー等衡化はどの温度で起こるか？また、$ \sim 1 $ MeV 未満に遅らせることは可能か？
• RQ3 アイスキューブの高エネルギー宇宙線ニュートリノ観測は、隠れた力の結合定数と媒介粒子質量をどのように制限するか？
• RQ4 過去の研究で、短基底長異常と宇宙論の不整合を主張したが、なぜ隠れたセクターにおける等衡化の遅れを考慮していないのか？
• RQ5 すべての宇宙論的、振動的、天体物理学的制約を満たす、媒介粒子質量 $ M $ と結合定数 $ g_h $ の有効パラメータ空間はどのようなものか？

主な発見

• 隠れた力は、プランク、アイスキューブ、振動データの統合的制約により、狭い範囲に制限される：$ M \lesssim 0.3 $ GeV および $ g_h > 10^{-6} $–$ 10^{-3} $。
• 活性ニュートリノと隠れたニュートリノの間のフレーバー等衡化は、$ \sim 1 $ MeV の温度まで遅れ、効果的ニュートリノ種の過剰生成を回避する。
• 等衡化が $ \sim 3 $ MeV 未満で起こらないようにすることで、プランクによる $ N_{\text{eff}} = 3.15 \pm 0.23 $ の制約と矛盾しない。
• 隠れたセクターにおけるペブニュートリノの平均自由行程は 50 Mpc を超え、アイスキューブデータに局所的ホライズン構造がないことと整合的である。
• 等衡化温度の上限は、量子ゼノン効果によって決定され、$ T_{\text{dec}}^{\text{high}} \sim (\sin^2 2\theta (\Delta m^2)^2 G_F^{-2} M_{\text{pl}})^{1/9} $ で与えられ、有効結合定数を制限する。
• 等衡化温度の下限は、弱い相互作用の凍結温度 $ \sim 1 $ MeV に由来し、$ T_{\text{dec}}^{\text{low}} \sim (G_F^2 M_{\text{pl}} \sin^2 2\theta / 2)^{-1/3} $ で与えられ、典型的な混合角では $ \sim 1 $ MeV と整合的である。