[論文レビュー] Test of Lorentz Violation with Astrophysical Neutrino Flavor

T. Katori, C. Argüelles+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2016

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、ニュートリノ系におけるローレンツ対称性およびCPT対称性の破れを、天体物理学的ニュートリノのフレーバー比を感受性の高いプローブとして用いることを提案する。CPT保存型ローレンツ対称性の破れを含む有効場理論ハミルトニアンを用いてニュートリノの伝播をモデル化した結果、現在の実験的制限ではいかなるフレーバー比も許容可能であるが、将来的な観測によって、標準的な1:1:1比からのずれをもとに、新しい物理と天体物理学的生成メカニズムを区別できる可能性がある。

ABSTRACT

The high-energy astrophysical neutrinos recently discovered by IceCube opened a new way to test Lorentz and CPT violation through the astrophysical neutrino mixing properties. The flavor ratio of astrophysical neutrinos is a very powerful tool to investigate tiny effects caused by Lorentz and CPT violation. There are 3 main findings; (1) current limits on Lorentz and CPT violation in neutrino sector are not tight and they allow for any flavor ratios, (2) however, the observable flavor ratio on the Earth is tied with the flavor ratio at production, this means we can test both the presence of new physics and the astrophysical neutrino production mechanism simultaneously, and (3) the astrophysical neutrino flavor ratio is one of the most stringent tests of Lorentz and CPT violation.

研究の動機と目的

• 高エネルギー天体物理学的ニュートリノのフレーバー比がローレンツ対称性およびCPT対称性の破れに与える感受性を調査すること。
• 観測されたフレーバー比が、同時に新しい物理と天体物理学的ニュートリノ生成メカニズムを制限できるかを特定すること。
• IceCubeデータを用いて、ニュートリノ系におけるCPT保存型ローレンツ対称性破れ係数（c係数）の制限を評価すること。
• 将来的な検出器（IceCube-Gen2やKM3NeT）がフレーバー構成を解像し、新しい物理からの異常を検出する可能性を評価すること。

提案手法

• 本研究では、標準ニュートリノ質量行列に加え、エネルギーおよびカットオフスケールに比例する係数でパrameter化されたローレンツ対称性の破れを表す高次元オペレーターを含む有効ハミルトニアンを用いる。
• ニュートリノフレーバー遷移確率は、真空中の非干渉的混合を用いて計算され、確率は混合行列要素の和として表される：$\bar{P}_{\nu_{\alpha}\rightarrow\nu_{\beta}}(E) = \sum_{i}|V_{\alpha i}(E)|^{2}|V_{\beta i}(E)|^{2}$。
• 混合行列$\tilde{U}_n$およびニュートリノパラメータの非等方的サンプリングに、GSLおよびArmadillo C++ライブラリを用い、$\delta_{CP}$に対して対称誤差および一様事前分布を適用する。
• フレーバー比は、エネルギー範囲[10 TeV, 10 PeV]において$E^{-2}$のパワー則天体フレームスケールと混合確率を畳み込むことで計算され、50個の対数スケールのビンにわたって統合される。
• CPT保存型$c$-係数の3つのベンチマークスケールをテストした：$1.0 \times 10^{-27}$、$1.0 \times 10^{-30}$、および$3.2 \times 10^{-34}$。これらはそれぞれ現在の制限と、高エネルギーでニュートリノ質量と同等のスケールに対応する。
• 結果は、異なる生成モデルにおける標準模型予測と比較した、ニュートリノフレーバー三角形における許容領域として可視化される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された天体物理学的ニュートリノフレーバー比は、ローレンツ対称性およびCPT対称性の破れと、異なる天体物理学的生成メカニズムを区別できるか？
• RQ2 ニュートリノ系におけるCPT保存型ローレンツ対称性破れ係数に、フレーバー比がどの程度感受性を示すか？
• RQ3 ローレンツ対称性の破れに関する現在の実験的制限が、許容可能なフレーバー比の範囲に与える影響は何か？
• RQ4 ニュートリノ質量項が、ローレンツ対称性破れ効果と比較して、高エネルギーでフレーバー構成にどの程度支配的になるか？
• RQ5 IceCube-Gen2 や KM3NeT などの将来的な検出器は、1:1:1比からのずれを解像し、新しい物理の兆候を検出できるか？

主な発見

• CPT保存型ローレンツ対称性破れに関する現在の実験的制限（$c \sim 1.0 \times 10^{-27}$）では、ニュートリノフレーバー三角形の全域が到達可能であり、したがっていかなるフレーバー比も観測的に可能である。
• $c = 1.0 \times 10^{-30}$のスケールでは、フレーバー比の許容領域が小さくなり始め、新しい物理効果がニュートリノ質量項に比べて小さくなっていることが示唆される。
• $c = 3.2 \times 10^{-34}$では、許容フレーバー比領域は、最小モデルが予測する標準的な1:1:1比とほとんど区別できず、このスケールではニュートリノ質量がローレンツ対称性破れを上回っていることが示される。
• 新しい物理効果が無視できる場合、すべての生成モデルに対してフレーバー比は1:1:1に強く集中するため、この比からのずれはローレンツ対称性またはCPT対称性の破れの明確な兆候となる。
• 本研究では、天体物理学的ニュートリノフレーバー比が、ローレンツおよびCPT対称性の破れを検証する最も厳しいテストの一つであることが示され、同時に新しい物理と天体物理学的生成メカニズムを探索できる。