[论文解读] A study on quantum decoherence phenomena with three generations of neutrinos

A. M. Gago, Elton Márcio da Silva Santos+2 more|ArXiv.org|Aug 16, 2002

Biofield Effects and Biophysics参考文献 3被引用 19

一句话总结

本文利用量子动力半群方法将量子退相干形式化扩展至三味中微子体系，推导出包含质量诱导振荡与耗散性退相干效应的生存振幅与跃迁振幅。研究发现，两味中微子纯退相干解与当前三味中微子数据（特别是CHOOZ与Super-Kamiokande数据）存在强烈不相容性，尤其在99%置信水平下排除了最佳拟合退相干参数。

ABSTRACT

Using the open quantum system approach applied to the neutrino system, we derive three generations neutrino probability formulae considering the oscillation induced by mass plus quantum decoherence contributions. The introduction of these dissipative effects is done through the quantum dynamical semigroup formalism. In addition to the theoretical interest of the approach, at least from the completeness point of view, this extension of the formalism to the three flavors, provide us with a direct application: we can analyze qualitatively the consistency of the two generation pure decoherence solution to the atmospheric neutrino problem, accommodated within this enlarged scheme, with the mean tendencies observed for some of the current neutrino experimental data. This study was performed based on different choices of the $3 imes 3$ mixing matrix selected in order to adjust the $P_{ν_μ o ν_μ}$ to the same form it has for the decoherence solution in two generations. Our qualitative tests for decoherence with three neutrinos show a clear incompatibility between neutrino data and the theoretical expectations.

研究动机与目标

• 将开放量子体系方法（包括量子退相干）从两味扩展至三味中微子体系。
• 在三味中微子框架下评估两味纯退相干解对大气中微子异常的可行性。
• 检验当嵌入完整的三味形式化体系时，退相干效应是否能一致地解释当前中微子实验数据。
• 利用半群动力学发展一种现象学上稳健、与相互作用无关的三味中微子退相干形式化方法。

提出的方法

• 应用量子动力半群形式化方法，建模中微子在退相干作用下的演化，避免对中微子-介质相互作用作假设。
• 推导出在退相干矩阵为对角形式的三味体系中，中微子生存振幅与跃迁振幅的解析表达式。
• 基于两味体系结果施加简化假设，假设退相干参数满足 $\gamma^* \propto 1/E_\nu$。
• 利用CHOOZ数据对三味体系中退相干参数 $\gamma^*_3$ 进行约束。
• 考虑两种情形：(1) 仅纯退相干（PD）；(2) 退相干与标准质量诱导振荡共存的混合模型。
• 使用 $3\times3$ 混合矩阵探索不同的混合模式，特别关注 $\nu_e \to \nu_\mu$ 与 $\nu_e \to \nu_\tau$ 通道。

实验结果

研究问题

• RQ1 两味中微子纯退相干解能否在三味中微子框架中一致地嵌入？
• RQ2 在当前实验数据的约束下，三味体系的引入是否使两味退相干解失效？
• RQ3 CHOOZ数据对三味模型中纯退相干参数 $\gamma^*_3$ 施加了何种约束？
• RQ4 在纯退相干情景下，$P_{\nu_e\to\nu_e}$ 与 $P_{\nu_\mu\to\nu_\mu}$ 的预测与SK及K2K数据的对比如何？
• RQ5 在 $\nu_e \to \nu_\tau$ 通道中，是否存在与太阳与大气中微子数据相容的退相干参数可行空间？

主要发现

• 当与太阳中微子的LMA解联合时，大气中微子退相干参数的最佳拟合值 $\gamma^*_3 = 1.2 \times 10^{-21}$ GeV$^2$ 在99%置信水平下被CHOOZ数据排除。
• 当 $\cos^2\theta \gtrsim 0.5$ 时，$\gamma^*_3 \lesssim 7.0 \times 10^{-22}$ GeV$^2$ 的取值在99%置信水平下被排除，表明与两味退相干解存在强烈不相容性。
• 在纯退相干（PD）情景下，$P_{\nu_e\to\nu_e} = P_{\nu_\mu\to\nu_\mu}$，这与SK和K2K数据矛盾，因此该模型被排除。
• 在含 $\nu_e \to \nu_\mu$ 混合与退相干的混合模型中，相同的简并关系 $P_{\nu_e\to\nu_e} = P_{\nu_\mu\to\nu_\mu}$ 依然存在，与实验观测不一致。
• 含 $\nu_e \to \nu_\tau$ 混合与退相干的混合模型同样与数据存在强烈张力，当 $\cos^2\theta$ 取值与LMA解一致时，$\gamma^*_3 > 3.0 \times 10^{-22}$ GeV$^2$ 的参数在99%置信水平下被排除。
• 尽管纯退相干与混合退相干模型均受到强烈排斥，但所推导的形式化方法仍对今后三味中微子分析中退相干参数的约束具有重要应用价值。