1/6 ニュートリノ振動の解明に向けて 首都大学東京理工学研究科物理学専攻安田修 013 年 4 月 1 日 @ 東大本郷ニュートリノフロンティアの融合と進化
1. 序 n ν 振動 n パラメーター縮退. 標準的 3 世代シナリオ n 混合角度 n 質量パターン n CP 位相 3. 非標準的シナリオ n ステライル ν n 非標準的相互作用 n ユニタリー性の破れ 4. まとめ /6
1. 序 1.1 ニュートリノ振動 ( 真空中の 世代の場合 ) フレーバー固有状態 ν ν e μ = U ν ν 1 質量固有状態 真空中の混合角 L: 基線長 E: エネルギー Δm m Δm L P(ν sin θ sin m1 μ ν e )= 4E Lに関して振動的振る舞い 1.7(Δm / ev )(L/km) = sin θsin (E/GeV) (Δm, sin θ): 振動パラメーター 次元平面で振動パラメーターの許容領域を表すのが慣例 3/6
1. ニュートリノ振動 (3 世代の場合 ) ν ν ν U D e μ τ = ν1 = U ν ν 3 1 0 0 diag 0 c - s 3 0 s c 3 3 c D 0 - s 13 13 0 1 0 s 0 c 3 3 3 3 13 13 iδ/ -iδ/ ( e, 1, e ), s jk sin θjk, c jk cos 13 13 D -1 c - s 0 1 1 s c 0 1 1 0 0 1 θ jk 3 3 直交行列の 3 つの回転角 θ 1 θ 13 θ 3 と CP 非保存位相 δ Δm 1 Δm 3 がパラメーター m 3 Δm 3 m m 1 Δm 1 4/6
1.3 現在までのニュートリノ振動実験でわかった事 大気ニュートリノ 加速器ニュートリノ θ 3 45 ; =3 10-3 ev 太陽ニュートリノ 長基線原子炉ニュートリノ θ 1 30 ; =8 10-5 ev 短基線原子炉ニュートリノ 加速器ニュートリノ θ 13 10 という結果が得られ ニュートリノに質量 混合があることが確定 m 3 m m 1 又は Δm 3 Δm 1 実は質量のパターンは現在の所 下図のどちらの可能性も残っている Normail Hierarchy m m 1 Inverted Hierarchy m 3 現時点で未定なものは CP 非保存位相 δ 質量パターン θ 3 ー π/4 の符号 m 3 m m 1 5/6
1.4 パラメーター縮退 CP 非保存位相 δを決定するためにe,l 一定の長基線 ν 実験で P Pν ( μ ν e ), octant degeneracy θ 3 π/ - θ 3 (Fogli-Lisi, 96) P の両方を決定しても一般にδは一意的に決まらない 3 重縮退 ( ) Pν μ ν e 1/s 3 (sin θ 13, 1/s 3 ) 平面の図 (P= 一定 & P= 一定で与えられ る線は 次曲線 ) NH IH OY, New J.Phys. 6 (004) 83 intrinsic degeneracy (δ, θ 13 ) (Burguet-Castell et al, 01) sign degeneracy Δm 31 -Δm 31 (Minakata-Nunokawa, 01) sin θ 13 6/6
. 標準的 3 世代シナリオ.1 混合角 対称性の議論から レプトン混合角の間 或はクォーク レプトン混合角の間にさまざまな予言がなされている Quark-lepton complementarity Minakata, Smirnov, PR D70 (004) 073009 θ 1 +θ C = π/4 T symmetry Eby-Frampton, arxiv:111.675v4 [hep-ph] π/4 - θ 3 = -1/ θ 13 7/6
8/6 クォークの混合角は O(0.1 ) の精度で測定されている CKM angles @90%CL (PDG) θ 1 = 1.57 ± 0.1 deg θ 3 =.36 ± 0.11 deg θ 13 = 0.1 ± 0.04 deg
レプトンの混合角の測定値 @90%CL Forero, Tortola, Valle arxiv:105.4018v4 Fogli, Lisi, Marrone, Montanino, Palazzo, Rotunno arxiv:105.554v3 θ 1 = 34.5 ± 1.7 deg θ 3 = 41 ± 4 deg = 51 ± 5 deg θ 13 = 9.1 ± 0.9 deg θ 1 = 33.7 ± 1.8 deg θ 3 = 38 ± 5 deg = 51 ± deg θ 13 = 9.0 ± 0.8 deg θ 1 +θ C = π/4 のような仮説をテストするにはレプトンの混合角を O(0.1 ) の精度で測定する必要あり 特に θ 3 の精度が今後の課題 Sign&octant degeneracy の解決が重要 9/6
10/6. 質量パターン (i)gut 等の模型構築への指針 (ii)cp 非保存測定への影響 : THK で CP 非保存を測定するには ( 非常に幸運な場合を除き ) 質量パターンを決定しておくことが必要 (iii) 無 ν 二重 β 崩壊実験への影響 : IH ならば近未来にシグナルの観測が可能
(ii)cp 非保存測定への影響 : THK で CP 非保存を測定するには ( 非常に幸運な場合を除き ) 質量パターンを決定しておくことが必要 ( 偽の解 ) TK では Δm 31 L/4E=π/ sinδ(intrinsic) =sinδ (intrinsic) NH assumed ( 真の解 ) TK では sign degeneracy が一番深刻 : sinδ=0 sinδ (sign)=o(1) 0 11/6
(iii) 無 ν 二重 β 崩壊実験への影響 : IH ならば近未来にシグナルの観測が可能 m ee = Σ(U ej ) m j exp(iφ j ) m ee Rodejohann@NOW01 ) min(m j Strumia-Vissani: hep-ph/0606054 1/6
Planck の結果 (013/3) 013 年 3 月 0 日に Planck の結果 (CMB+ 銀河団 ) から m ν >0 という主張が出てはいるが 他のパラメーターを調節すれば m ν =0 でも観測値の説明は可能なはず 慎重に解釈すべき m ν Planck 013 results. XX, Cosmology from Sunyaev Zeldovich cluster counts, arxiv:1303.5080v1 13/6
.3 CP 位相 δ 模型構築への指針 Mohapatra @ Neutrino Telescopes 013 14/6
3. 非標準的シナリオ 将来の大強度 ν 長基線実験では 標準的シナリオからのずれの探索が可能 ずれの発見は標準的枠組を超える物理のヒントを与える n ステライル ν 探索の動機 ステライル ν 存在を示唆する実験結果がある n 非標準的相互作用探索の動機 n ユニタリー性の破れ探索の動機 肯定的実験結果はないが その発見は標準的枠組を超える物理のヒントを与える 15/6
16/6 3.1 ステライル ν (ν s ) ステライル ν 探索の動機は主として現象論的 LSND anomaly の検証 Reactor anomaly の検証 Galium anomaly の検証 宇宙論的観測におけるステライル ν 示唆の可能性 理論的に必然的にステライル ν が予言されている訳ではない
LSND anomaly νμ νe (1993-1998@LANL) E~50MeV, L~30m Δm O(1)eV sin θ O(10 -?? ) 3 世代の ν 振動による領域 これは 3 世代間の ν 振動では説明不可能 17/6
MiniBooNE(00-, FNAL) LSND を追試するための実験 E~1GeV, L~1km, (L/E) MB =(L/E) LSND ニュートリノモード (007) ( 否定的 ) 反ニュートリノモード (010) ( 肯定的 ) νμ νe ν μ ν e νμ νe 1995 LSND は本当か? 007 LSND は間違っていた! ステライルニュートリノ振動!? 010 LSND はあっていた? 18/6
原子炉ニュートリノ異常 ( 新フラックス )= ( 旧フラックス ) 1.03 Bugey( 原子炉 )+etc: 肯定的 with new flux? : Allowed region@90%cl Mention et al, 011 最近原子炉 ν のフラックスに対する再評価が出て これまでのデータがむしろの欠損を示唆していると解釈されるようになった Bugey( 原子炉 ): 否定的 with old flux : Allowed region@90%cl Δm = Δm = の領域にν 振動 41 O(1)eV の領域には ν 振動はない 41 O(1)eV があるかもしれない 19/6
ガリウム異常 SAGE, nucl-ex/051041 ガリウム太陽 ν 実験の較正 Gallex/GNO 51 Cr SAGE 51 Cr, 37 Ar Gallex SAGE 99% 95% 90% 68% Giunti-Laveder, 1006.344v3 [hep-ph] ガリウム太陽 ν 実験の較正の結果は active-sterile ν 振動による ν e の消失の兆候と解釈することが可能 0/6
最近の宇宙の観測 (CMB+LSS) ニュートリノの数 >3? Planck 013 以後 Planck 013 以前 現時点では観測結果同志の間で矛盾があり ニュートリノの数 =3(or >3) を結論するのは時期尚早のように思われる Planck 013 results. XVI, Cosmological parameters, arxiv:1303.5076v1 1/6
/6 最近の宇宙の観測 (Planck013) ν s 振動は死んだか? sin θ 14 ( ν ν e ) e sin θ 4 ( ν νμ ) Mirizzi, Mangano, Saviano, Borriello, Giunti, Miele, Pisanti, arxiv:1303.5368 仮に Planck の否定的結果が最終的に確定しても レプトンの非対称性等のため ν s が熱平衡に達していない可能性は残っている μ
3/6 3. 非標準的相互作用 生成 検出中の非標準的相互作用 ν α charged current l β 伝播中の非標準的相互作用 f f neutral current ν α ν β f f
4/6 Violation of unitarity (Minimal Unitarity Violation) Antusch, Biggio, Fernandez-Martinez, Gavela, Lopez-Pavon, JHEP0610,084, 06 ある種のシーソー模型では右巻 ν R の効果が無視できるほど小さくならず ユニタリー性の破れが測定可能になる場合もある : ( ) ( )... 1 + / = + i i L i ii i c i i N P l W g m i L ν γ ν ν ν ν α μ α μ ( ) ( )..... 1 + + / = + h c P l W g M K i L L c α μ α μ β αβ α β αβ α ν γ ν ν ν ν N: 非ユニタリー混合行列 rescaling ν 3.3 ユニタリー性の破れ
シナリオ 3 世代ユニタリー性 効果の大きさの現象論的制約 ( 標準的効果との比 ) 軽いステライル ν O(10%) 生成 検出中の非標準的相互作用 O(1%) 伝播中の非標準的相互作用 e-τ: O(100%) それ以外 : O(1%) 重い粒子に起因するユニタリー性の破れ O(0.1%) 日本人研究者による将来の ν 実験等でこれらのシナリオに対する発見 制限の改善の可能性がまだまだある 5/6
6/6 4. まとめ 標準的 3 世代シナリオと非標準的なシナリオに対する現象論について概観した 標準的 3 世代シナリオ n 混合角度 n 質量パターン n CP 位相 非標準的シナリオ n ステライルν n 非標準的相互作用 n ユニタリー性の破れ 日本人研究者による将来の ν 実験等で非標準的シナリオに対する発見 制限の改善の可能性がまだまだある
Backup slides 7/6
将来における質量パターン決定の見通し Ref. Bertolucci et al, arxiv:108.051 Significance (σ) of MH 現在 PINGU DB-II LBNO LENA INO -atm LBNE NB: JPARC + HK + Okinoshima は開始時期不明のため書かれていない HKatm THK Noνa SKatm Year 8/6
Planck 013 results. I. Overview of products and scientific results, arxiv:1303.506v1 9/6
Differences in values of CP phases θ 13 := θ 13 (true), θ 13 := θ 13 (false) δ:= δ(true), δ := δ(false) intrinsic degeneracy Barger Marfatia Whisnant Phys.Rev.D65:07303,00 30/6
sign degeneracy octant degeneracy Barger Marfatia Whisnant Phys.Rev.D65:07303,00 31/6
Planck 013 results. XX. Cosmology from Sunyaev Zeldovich cluster counts, 1303.5080v1 3/6
33/6 一方 レプトンの混合角の測定値 @90%CL は NH IH Forero, Tortola, Valle arxiv:105.4018v4 Fogli, Lisi, Marrone, Montanino, Palazzo, Rotunno arxiv:105.554v3
34/6 Cosmological constraints on light sterile neutrinos (s e) Smirnov & Zukanovich -Funchal, Phys.Rev.D74:013001,006
35/6 Cosmological constraints on light sterile neutrinos (s μ) Smirnov & Zukanovich -Funchal, Phys.Rev.D74:013001,006
36/6 Cosmological constraints on light sterile neutrinos (s τ) Smirnov & Zukanovich -Funchal, Phys.Rev.D74:013001,006