[論文レビュー] The Oscillation Length Resonance in the Transitions of Solar and Atmospheric Neutrinos Crossing the Earth Core

S.T. Petcov|ArXiv.org|Oct 31, 1998

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、太陽ニュートリノおよび大気ニュートリノが地球の核を通過する際に発生する、ニュートリノ振動の周期的変調に起因する新しいニュートリノ振動共鳴—振動長共鳴—を提案する。この共鳴は、小さな混合角におけるνμ → νe 遷移を強化する。MSW共鳴とは異なり、この効果は地球の密度構造に起因する振動長の周期的変調に起因し、スーパーカムイオカンデの大気ニュートリノデータにおける仰角依存性、特に130°–180°の高い仰角におけるe型イベントの過剰を説明できる。

ABSTRACT

The characteristic features of the neutrino oscillation length resonance, taking place in the $ν_2 o ν_{e}$ and $ν_μ o ν_{e}$ ($ν_e o ν_{μ(τ)}$) transitions in the Earth of the solar and atmospheric neutrinos crossing the Earth core, are reviewed. The resonance enhances dramatically these transitions at small mixing angles but differs from the MSW one. It can be responsible, e.g., for the small excess of e-like events at Zenith angles $θ_{z} \sim (130^{\circ} - 180^{\circ})$ and can produce at least part of the Zenith angle dependence of the rate of $μ-$like events, exhibited by the Super-Kamiokande atmospheric neutrino data.

研究の動機と目的

• 太陽ニュートリノおよび大気ニュートリノが地球の核を通過する際のニュートリノ振動パターンに及ぼす地球の核の影響を調査すること。
• MSW共鳴とは異なる、新たな共鳴型—振動長共鳴—を同定および特徴付けること。
• スーパーカムイオカンデの大気ニュートリノデータにおける観測された仰角依存性、特に高仰角におけるe型イベントの過剰を説明すること。
• 地球の密度非均一性がニュートリノ振動確率をどのように変調するかの理論的枠組みを提供すること。
• このメカニズム下でのνμ → νe 遷移におけるエネルギー幅および共鳴強度を定量化すること。

提案手法

• 密度の高い核を持つ多層構造の地球モデルにおけるニュートリノ振動確率を分析し、特にνμ → νeおよびν2 → νe 遷移に注目する。
• 地球の半径方向密度プロファイルに起因する振動長の周期的変調に基づく共鳴条件を導出する。
• 物質中での有効ハミルトニアン形式を用いて遷移確率を計算し、核の高密度領域を組み込む。
• 断熱近似を適用して、共鳴存在下での生存確率および遷移確率を評価する。
• 共鳴効果と標準的なMSW共鳴を比較し、エネルギー依存性および混合角感受性の違いを強調する。
• 共鳴のエネルギー幅を近似的に解析的に表現する式を導入し、データとの定量的比較を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スーパーカムイオカンデの大気ニュートリノデータにおける観測された仰角依存性は、MSW以外の共鳴メカニズムによって説明可能か？
• RQ2 地球の核内で観測される高仰角（130°–180°）におけるνμ → νe 遷移の増強の性質と起源は何か？
• RQ3 地球の核密度構造はどのようにニュートリノ振動長の共鳴を引き起こし、MSW共鳴とはどのように異なるか？
• RQ4 大気ニュートリノおよび太陽ニュートリノにおける振動長共鳴のエネルギー幅および強度は何か？
• RQ5 この共鳴メカニズムは、検出器の高仰角領域で観測されたわずかなe型イベントの過剰を説明できるか？

主な発見

• 振動長共鳴は、特に地球の核を通過するニュートリノに対して、小さな混合角におけるνμ → νeおよびν2 → νe 遷移を顕著に強化する。
• この共鳴はMSW効果とは異なり、物質ポテンシャルに起因するのではなく、地球の密度非均一性に起因する振動長の周期的変調に起因する。
• 共鳴は特定のニュートリノエネルギーで遷移確率に特徴的なピークを生じさせ、そのエネルギー幅は解析的に近似可能である。
• このモデルは、スーパーカムイオカンデのデータにおける仰角θz ≈ 130°–180°でのe型イベントの過剰を説明でき、データの仰角依存性と整合的である。
• 共鳴効果はμ型イベントの観測率における仰角依存性に寄与し、大気ニュートリノ異常の一部を説明する有効なメカニズムを提供する。
• この共鳴効果は、エネルギーが約1–10 GeVの高エネルギーの大気ニュートリノにおいて顕著であり、地球の核が振動確率における強め合いを引き起こす。