[论文解读] Neutrinos: Fast & Curious

Gabriela Barenboim|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 22被引用 1

一句话总结

本文回顾了中微子质量与混合的发现，解释了中微子振荡（非零质量的证据）如何挑战标准模型并开启新物理。文章探讨了跷跷板机制、通过PMNS矩阵的轻子混合，以及其对马约拉纳中微子与狄拉克中微子、CP破坏及与宇宙学和标准模型之外物理的联系的影响。

ABSTRACT

The Standard Model has been effective way beyond expectations in foreseeing the result of almost all the experimental tests done up so far. In it, neutrinos are massless. Nonetheless, in recent years we have collected solid proofs indicating little but non zero masses for the neutrinos (when contrasted with those of the charged leptons). These masses permit neutrinos to change their flavor and oscillate, indeed a unique treat. In these lectures, I discuss the properties and the amazing potential of neutrinos in and beyond the Standard Model.

研究动机与目标

• 解释非零中微子质量的实验发现以及由此产生的中微子振荡现象。
• 探讨通过PMNS矩阵描述的轻子混合理论框架及其对中微子味跃迁的影响。
• 研究跷跷板机制作为解释中微子质量微小性的解决方案，及其与重右手中微子的关联。
• 考察中微子物理学中的开放问题，包括中微子本质（马约拉纳型与狄拉克型）、CP破坏，以及与重子不对称性及暗物质的联系。
• 评估中微子在宇宙学中的作用，以及对撞机和未来实验中发现新物理的潜力。

提出的方法

• 使用PMNS矩阵（U_PNMS）描述中微子质量本征态（νi）作为味本征态（να）的相干叠加，其中振幅为U*αi。
• 应用量子力学形式描述中微子振荡作为相干叠加在距离L上的演化，振荡概率取决于混合角和质量平方差。
• 通过包含轻与重马约拉纳中微子的2×2质量矩阵引入跷跷板机制，通过m_D^2 / M导出一个轻和一个重本征态。
• 分析马约拉纳中微子的影响，包括轻子数破坏以及无中微子双贝塔衰变的可能性。
• 评估来自KamLAND-Zen等实验对无中微子双贝塔衰变半衰期的约束（T_0ν^{1/2} > 1.07×10^26年，置信水平90%）。
• 讨论通过短基线反应堆中微子异常发现惰性中微子和非标准相互作用的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 中微子是马约拉纳粒子还是狄拉克粒子，如何通过实验检验？
• RQ2 中微子的绝对质量量级是多少，它与跷跷板机制有何关联？
• RQ3 中微子扇区是否存在CP破坏，它能否解释宇宙的重子不对称性？
• RQ4 短基线反应堆中微子异常是否表明存在惰性中微子或新物理？
• RQ5 中微子是否可能破坏CPT或洛伦兹不变性，此类效应如何与非标准相互作用区分开？

主要发现

• 中微子振荡提供了中微子具有非零质量的决定性证据，与原始标准模型中质量为零的假设相矛盾。
• PMNS矩阵描述了味本征态να作为质量本征态νi的叠加，其混合振幅为Uαi，其模平方|Uαi|²给出了味跃迁的概率。
• 跷跷板机制通过引入重右手中微子，解释了观测到的中微子质量的微小性，轻中微子质量量级约为~ m_D² / M。
• 无中微子双贝塔衰变是探测马约拉纳中微子的关键工具，当前实验对其中衰变半衰期的下限超过1.07×10^26年（置信水平90%）。
• 惰性中微子是解释短基线反应堆中微子实验异常的领先候选者，尽管其存在尚未得到证实。
• 未来实验如GERDA-Phase II、Majorana、nEXO和CUORE旨在将无中微子双贝塔衰变的探测灵敏度提高一个数量级。