[論文レビュー] Testing NSI suggested by the solar neutrino tension in T2HKK and DUNE

Monojit Ghosh, Osamu Yasuda|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、太陽ニュートリノ-KamLANDの質量平方差の不一致を解消するために提案された非標準的相互作用（NSI）が、将来の長基線実験T2HKKおよびDUNEでテスト可能かどうかを調査する。両実験とも、自然にNSIがないと仮定した場合、f=u,dの場合には10σ以上、ほとんどのパラメータ空間では3σ以上の有意水準でNSIの最適フィット点を除外できることが示された。DUNEの感度はT2HKKをわずかに上回る。

ABSTRACT

It was shown that the tension between the mass-squared differences obtained from solar neutrinos and those acquired through KamLAND experiments may be solved by the introduction of a non-standard flavor-dependent interaction (NSI) in neutrino propagation. In this study, we discuss the possibility of testing such a hypothesis using the future long-baseline neutrino experiments T2HKK and DUNE. Assuming that the NSI does not exist, we provide the excluded region within the ($ε_D$, $ε_N$) plane, where $ε_D$ and $ε_N$ are the parameters appearing in the solar neutrino analysis conducted with the NSI. We find that the best-fit value from the solar neutrino and KamLAND data (global analysis of a particular coupling to quarks) can be tested at more than 10$σ$ (3$σ$) by these two experiments for most of the parameter space.

研究の動機と目的

• 将来の長基線ニュートリノ実験T2HKKおよびDUNEが、太陽ニュートリノ-KamLANDの質量平方差の不一致を解消するNSIの感度を評価すること。
• グローバルな太陽ニュートリノおよびKamLANDデータが示唆するNSIパラメータが、これらの近い将来の実験で除外可能かどうかを評価すること。
• 異なるニュートリノ質量階層およびCP位相の下で、(εD, εN)パラメータ空間におけるT2HKKおよびDUNEの性能を比較すること。
• 感度が真のδCPおよびθ23の値にどのように依存するかを特定し、感度が最大または最小となるパラメータ領域を同定すること。

提案手法

• 太陽ニュートリノおよびKamLANDデータのグローバルフィット解析を用いて、クォーク（f=u,d）へのフレーバー保存型カップリングのNSIパラメータ（εD, εN）を抽出する。
• NSIの有効ハミルトニアン（式(1)に示す）を組み込んだ、NSIが修正する oscillation 確率を用いて、T2HKKおよびDUNEの期待される性能をシミュレートする。
• 自然にNSIがないと仮定した場合の(εD, εN)平面におけるχ²解析を通じて感度を評価し、除外される領域を特定する。
• ビーム比率（T2HKKでは1:3、DUNEでは1:1）、フラックスタイプ（狭帯域対広帯域）、およびニュートリノ質量階層とδCPの感度への影響を考慮する。
• 真のδCPおよびθ23の値の変化に伴うT2HKKおよびDUNEの除外能力を比較し、感度のピークおよび最小値を特定する。
• f=uおよびf=dのNSIカップリングタイプの下での結果の頑健性を評価し、η ≈ -43.6°のときの影響を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 T2HKKおよびDUNEは、太陽ニュートリノおよびKamLANDデータから得られるNSI最適フィット点(εD, εN) = (-0.14, -0.03) を除外できるか？
• RQ2 T2HKKおよびDUNEのNSIに対する感度は、真のδCPおよびθ23の値にどのように依存するか？
• RQ3 T2HKKおよびDUNEのεNに対する感度はεDより強いのか？また、既存の実験と比較してどうか？
• RQ4 ニュートリノ質量階層（NH 対 IH）が、DUNEおよびT2HKKのNSIに対する感度に与える影響は何か？
• RQ5 どのような条件下でT2HKKおよびDUNEのNSIに対する感度が消失するか、特にη ≈ -43.6°のときにはどうか？

主な発見

• 自然にNSIがないと仮定した場合、f=uおよびf=dの両方において、T2HKKおよびDUNEの両実験がNSI最適フィット点(εD, εN) = (-0.14, -0.03) を10σ以上で除外できる。
• パラメータ空間の大部分において、両実験が3σ以上で最適フィット点を除外でき、DUNEの感度はT2HKKをわずかに上回る。
• 両実験の感度はδCP = 0°で最大、δCP = 180°で最小となり、T2HKKではδCP = 90°および270°で対称的であるのに対し、DUNEではそうではない。
• 反転質量階層（IH）はDUNEの感度をわずかに向上させ、NHと比較してδCP = 180°の場合でも3σで除外可能となる。
• 真のNSIパラメータηが-43.6°に近い場合、両実験のNSIに対する感度は低下するが、依然として既存の実験よりも|η - η₀|の制限を強く示す。
• T2HKKおよびDUNEはεNに対してεDよりも感度が高く、NSIに対する感度はHKの大気ニュートリノ実験と同等またはそれ以上である。