[论文解读] Neutrino masses from the GSI anomaly

A. N. Ivanov, E. Kryshen+2 more|ArXiv.org|Apr 8, 2008

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出，重离子强库仑场中虚拟带电轻子–W⁺玻色子对对中微子质量的修正，可解释GSI电子捕获衰变调制测得的中微子质量平方差（2.18×10⁻⁴ eV²）与KamLAND结果（7.59×10⁻⁵ eV²）之间2.9倍的差异。计算得到的质量修正使GSI结果与全球中微子数据一致，得出中微子质量约为0.11–0.12 eV，与宇宙学约束一致。

ABSTRACT

We investigate the influence of the strong Coulomb field of a heavy nucleus on massive neutrinos, produced in the K-shell electron capture (EC) decays of the H-like 140Pr58+ and 142Pm60+ ions. The corrections to the neutrino masses due to virtually produced charged lepton W-boson pairs in the strong Coulomb field of a nucleus with charge Ze are calculated and discussed with respect to their influence on the period of the time-modulation of the number of daughter ions, observed recently in the EC-decays of the H-like 140Pr58+ and 142Pm60+ ions at GSI in Darmstadt. These corrections explain the 2.9 times higher difference of the squared neutrino masses obtained from the time-modulation of the EC-decays with respect to the value deduced from the antineutrino-oscillation experiments of KamLAND.

研究动机与目标

• 解释GSI实验中通过类氢¹⁴⁰Pr⁵⁸⁺和¹⁴²Pm⁶⁰⁺离子时间调制的电子捕获衰变提取的中微子质量平方差Δm²₂₁与KamLAND太阳中微子实验结果之间的差异。
• 研究在子核强库仑场中，虚拟W⁺玻色子与带电轻子（e⁻, μ⁻, τ⁻）对的产生是否会对中微子质量产生可观测的修正。
• 通过引入场致质量修正，使GSI测得的衰变调制周期（T_EC ≈ 7 s）与标准模型中Δm²₂₁的值一致。
• 估算与宇宙学对中微子质量之和的上限一致的绝对中微子质量。

提出的方法

• 作者利用弱相互作用拉格朗日量与费米耦合常数G_F，计算了每个中微子质量本征态ν_j在核电荷为Ze的核库仑场中，由于虚拟带电轻子–W⁺对产生而引起的质量修正δm_j(r)。
• 采用从相对论量子力学推导出的强库仑场中带电轻子的能量依赖格林函数，计算导致质量移动的矩阵元M_ℓ(r)。
• 通过加权所有带电轻子种类ℓ（e⁻, μ⁻, τ⁻），并乘以单位中微子混合矩阵元U_jℓ和U*ℓj，获得总质量修正δm_j(r)。
• 利用修正后的质量平方差(m₂ + δm₂)² − (m₁ + δm₁)²重新计算衰变调制周期T_EC，使其与观测到的7.06 s一致。
• 该方法引入了混合角θ₁₂ = 34°和θ₂₃ = 45°，并为分析可解性而忽略二阶项(δm_j)²。
• 利用已知的Δm²₃₂ = 2.4×10⁻³ eV²和修正后的m₁、m₂值，估算最重的中微子质量m₃。

实验结果

研究问题

• RQ1 GSI电子捕获衰变实验中观测到的2.9倍更高的Δm²₂₁是否可由强库仑场中中微子质量的辐射修正解释？
• RQ2 在重离子库仑场中，由虚拟ℓ⁻W⁺对产生引起的中微子质量修正的大小和味依赖性如何？
• RQ3 是否通过引入这些修正，可使GSI提取的Δm²₂₁与全球拟合的KamLAND值7.59×10⁻⁵ eV²一致？
• RQ4 与修正后的Δm²₂₁和宇宙学约束一致的绝对中微子质量是多少？
• RQ5 Z⁰玻色子交换对质量修正的贡献与W⁺玻色子交换相比有多显著？

主要发现

• 由于库仑场中虚拟e⁻, μ⁻, τ⁻对的存在，电子中微子质量的修正为δm₁(R) = −14.74×10⁻⁴ eV，μ中微子质量的修正为δm₂(R) = −8.22×10⁻⁴ eV。
• 通过这些场致质量修正，修正后的GSI测得的质量平方差(Δm²₂₁)_GSI与KamLAND值(Δm²₂₁)_KL = 7.59×10⁻⁵ eV²一致。
• 计算得到的绝对中微子质量为m₁ = 0.11 + 4.26×10⁻⁴ eV，m₂ = 0.11 + 0.82×10⁻⁴ eV，m₃ = 0.12 + 8.05×10⁻⁴ eV。
• 中微子质量之和为∑m_j = 0.34 eV，与宇宙学上限∑m_j < 1 eV一致。
• Z⁰玻色子交换引起的修正与混合角测量的实验不确定性相比可忽略，因此可合理省略Z⁰贡献。
• 该模型通过使用修正后的中微子质量，成功解释了GSI电子捕获衰变中观测到的7.06 s调制周期，解决了长期存在的差异。