[論文レビュー] The Normal Neutrino Mass Ordering is Exactly What We Need

Shao-Feng Ge, Jing-yu Zhu|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2019

Neutrino Physics Research被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、将来のMeV未塔の無フレーバー二重ベータ崩壊実験で、サブmeVの感度を持つ場合、通常のニュートリノ質量順序（NO）が、メジャナウラ性のニュートリノを調べる上で不可欠であると主張している。NOにより、太陽混合角の高い八分儀領域（octant）が除外可能となり、同時に二つのメジャナウラCP位相を測定可能となる。NOがあると、太陽角が高い八分儀領域にある場合、「ファネル領域」と呼ばれる曇り領域の曇りが解消され、素因数物理学の発見にとって極めて重要な選択となる。

ABSTRACT

The preference of the normal neutrino mass ordering from the recent cosmological constraint and the global fit of neutrino oscillation experiments does not seem like a wise choice at first glance since it obscures the neutrinoless double beta decay and hence the Majorana nature of neutrinos. Contrary to this naive expectation, we point out that the actual situation is the opposite. Choosing the normal ordering opens up the possibility of excluding the higher solar octant and simultaneously measuring the two Majorana CP phases. For the normal ordering, the funnel region will completely disappear if the solar mixing angle takes the higher octant. With a typical $\mathcal O(\mbox{meV})$ sensitivity on the effective mass $|m_{ee}|$, the neutrinoless double beta decay experiment can tell if the funnel region really exists and hence exclude the higher solar octant. With the sensitivity further improved to sub-meV, the two Majorana CP phases can be simultaneously determined. We need the normal neutrino mass ordering with very good reasons.

研究の動機と目的

• ニュートリノ質量の測定に影響を与える、特に太陽混合角の八分儀領域に関する曇りを解消し、無フレーバー二重ベータ崩壊の解釈を明確にすること。
• 通常のニュートリノ質量順序が、有効質量測定を通じてメジャナウラ性のニュートリノを検出可能にする影響を調査すること。
• 将来の高感度実験が、異なる混合状態を区別し、二つのメジャナウラCP位相を同時に抽出できるかどうかを特定すること。
• 通常の質量順序は障害ではなく、メジャナウラニュートリノの探索を進めるために不可欠な条件であると主張すること。

提案手法

• 無フレーバー二重ベータ崩壊の文脈において、ニュートリノ質量順序と太陽混合角八分儀領域の相乗的関係を分析すること。
• パラメータ空間における「ファネル領域」と呼ばれる退化領域の存在を調べるための主要観測量として、有効メジャナウラ質量 |mee| を使用すること。
• 宇宙論的およびグローバルな振動フィット制約を適用し、通常の質量順序下での高い太陽角八分儀領域の妥当性を評価すること。
• |mee| の感度閾値が、高い八分儀領域を除外し、二つのメジャナウラCP位相を解明するために必要な条件を評価すること。
• 太陽混合角が通常の順序下で高い八分儀領域にある場合、ファネル領域が消えるメカニズムをモデル化すること。
• 将来のサブmeV感度実験が、二つのメジャナウラCP位相を同時に決定する上で及ぼす影響を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通常のニュートリノ質量順序は、サブmeV感度の無フレーバー二重ベータ崩壊実験によって、高い太陽混合角八分儀領域を除外するのに役立つのか？
• RQ2 通常の質量順序下で、パラメータ空間におけるファネル領域が消える条件は何か？
• RQ3 |mee| の感度閾値は、高い八分儀領域と低い八分儀領域の状況を区別するためにどの程度必要か？
• RQ4 将来のサブmeV感度実験は、二つのメジャナウラCP位相を同時に決定できるのか？
• RQ5 なぜ通常の質量順序は、ニュートリノのメジャナウラ性を調べる障害ではなく、逆に利点となるのか？

主な発見

• 太陽混合角が高い八分儀領域にある場合、通常のニュートリノ質量順序（NO）により、パラメータ空間におけるファネル領域が消失し、ニュートリノ混合における主要な曇りが解消される。
• 通常のO(meV)感度を持つ無フレーバー二重ベータ崩壊実験では、ファネル領域の存在がテストされ、除外可能となり、太陽混合角の八分儀領域が制限される。
• 将来のサブmeV感度実験により、二つのメジャナウラCP位相を同時に決定できるようになる。これは、現在の感度レベルでは達成不可能なことである。
• 通常の質量順序は、ニュートリノのメジャナウラ性を調べる障害ではなく、むしろ重要な発見を可能にするために不可欠な条件である。
• 宇宙論的および振動データが通常順序を好むのは偶然ではない。これは、メジャナウラニュートリノの探索を進めるために必須の条件である。
• 本論文は、通常のニュートリノ質量順序が、現在のデータと整合的であるだけでなく、ニュートリノ質量および性質を理解するための今後の進展にとって根本的に必要不可欠であると結論づけている。