太阳中微子可见敏感物质的影响

文摘

我们将讨论限制系数介绍模拟的影响较弱或强潜力重要电子中微子与当前和未来的太阳中微子数据。当前可用的太阳中微子数据导致束缚在1(3CL,与标准模型的预测是一致的。较弱的潜在问题(),来自于平坦的约束⁸B中微子频谱已经非常紧张,说明物质影响的证据。然而,对于更强的潜力(),会是温和的,昼夜不对称的主导⁸超级神冈探测器B微中子通量最近观察到的。列表中可见正在进行的和未来的太阳中微子实验,我们发现:(1)改善精度的昼夜不对称⁸B中微子,(2)低能quasi-monoenergetic中微子的精密测量,和(3)检测的好转⁸B中微子谱在低能量下改善绑定在是最好的选择。

1。介绍

中微子传播所描述的问题是Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein(垃圾)理论1- - - - - -4]。它被成功应用于解决太阳中微子问题[5),数据之间的差异6- - - - - -15),和太阳中微子通量的理论预测16),发展到解决的谜题,large-mixing-angle (LMA)垃圾的解决方案。解决方案是完美的协议中获得的结果KamLAND [17)探测器的测量反中微子从核反应堆,味道转换对应真空振动与subpercent修正由于物质的影响。

垃圾理论依赖中微子与物质相互作用由标准电弱理论和标准治疗的折射在光的折射理论是有根有据的。因此,它被认为是在一个坚实的基础。在观测方面的办法减少它预测太阳中微子在高通量能量由于绝热味道过渡的物质比在低能量下真空振荡效应占主导地位。在全球范围内,确实是在实验观察的行为⁸B太阳中微子高能量(11- - - - - -14)和放射化学实验检测低能pp和⁷是中微子6- - - - - -10)和最近的直接测量⁷被Borexino[中微子15]。总结情节的高和低能耗的现状太阳中微子,看到太阳中微子在本系列的审查。因此,可以说,一个垃圾理论成功地面对可用的实验数据。

然而,我们相信,进一步测试分选理论是值得追求的。首先,它正在测试充电电流(CC)对中微子的折射率标准模型(SM),其他地方不能测试。此外,在分析未来的实验来确定和质量等级,分选理论通常认为解开CP的真正效果的阶段从物质的效果。因此,证明测量所需的精度非常希望使发现CP违反健壮在此类实验中可能污染有重要的影响。这个推理是阐明在[18]。由于生存概率不依赖于太阳中微子为我们提供一个干净的环境测试中微子传播的理论问题。

我们注意到在太阳中微子,上面提到的过渡从低收入到高能行为没有被清楚地看到solar-model-independent的方式在一个单一的实验。Borexino和KamLAND实验试图通过观察来填补这一缺口⁸以相对较低的能量(B中微子19,20.]。阈值较低的SNO发表的结果分析3.5兆电子伏能量(21,22),同样的挑战正在开展超级神冈探测器(SK)组(23]。除了⁷是,一个新的低能中微子,pep中微子,观察Borexino [24]。最近,SK集团宣布了他们的第一个昼夜不对称的检测⁸B中微子(23]。正如我们将看到的部分3它给产生重大影响我们的讨论。与这些新的实验输入,以及所有上述的,现在很及时重新审视的问题多大偏离分选理论所允许的数据。

在本文中,我们执行这样一个测试理论的中微子传播在太阳和地球的环境问题。为了这个目的,我们需要指定的框架如何偏离分选理论是参数化的。之后,我们将介绍(25,26),参数定义为弱相互作用的有效耦合的比率与相干测量中微子方向的物质相互作用费米耦合常数。我们首先分析当前可用的太阳中微子数据获取上的约束,发现根据不同的特性约束或。我们将讨论的解释获得的约束包括此功能,并提供一个简单的定性模型来解释绑定更重要的一个。然后,我们讨论在多大程度上限制的问题可以严格的通过各种未来太阳中微子可见。

我们的测试框架中微子传播的理论问题需要评论。它实际上包括三个不同的材料:(1)非sm前进方向的弱相互作用参数化,(2)折射的中微子传播理论问题包括中微子味道的共振增强转换(1- - - - - -4)和(3)电子数密度在太阳和地球。然而,在地面的折射理论和因为没有问题可以可以说在分选机制的制定我们没有问题(2)的有效性。我们还注意到电子数密度在阳光下可靠地计算标准太阳模型(SSM),结果被日震学交叉检查精度比这里讨论。我们还可以利用地球物质密度和化学成分计算的初步参考地球模型(06)27视为理所当然。这种情况是因为地球matter-dependent可见,太阳中微子通量的昼夜变化,是对地球物质密度的精确轮廓。因此,我们假设我们的测试主要是检查方面(1),即中微子向前方向的耦合问题是否接收的SM之外的额外贡献。

非sm弱相互作用参数化是吗一般足够了吗?很可能不是因为在许多风味结构模型与新的非sm交互。跟新中性线电流交互的框架中讨论非标准交互(NSI)的中微子28- - - - - -33,限制有效的中微子耦合得到这个设置,例如,在[34,35]。与太阳中微子[36为讨论NSI]。如果我们表示NSI的元素(),我们可能被解释为,假设为,。处理完全通用的情况下,然而,我们可能需要放大的框架约束NSI参数包括其他中微子的来源,特别是,加速器和大气中微子。参见4更多的评论。

2。简单的依赖性分析物质的治疗效果

在本节中,我们给出一个简单的解析描述的各种太阳中微子可见取决于物质的效果。它应该为特征的直观的理解,我们将在以后的章节。读者会发现一个物理讨论转换回顾本系列的味道。在下面,我们表示太阳和地球内部的物质密度和,分别。太阳中微子生存或出现概率取决于三个振荡参数:太阳振动参数(,),。渺小的最近的测量值(37- - - - - -41)和小错误极大地限制了该参数的确定问题上引入的不确定性的影响。

量化可能偏离分选理论,介绍了参数通过替换费米耦合常数通过(25,26]。这种简化框架背后的基本假设是,偏离费米耦合常数在费米子是普遍的,特别是上下夸克。

地球的生存概率没有效果,也就是说,在白天,也被42- - - - - -44]: 在这里混合角在太阳内部的生产问题: 在哪里是物质的混合角密度, 在(2。4),被定义为在真空中微子振荡长度的比值,折射长度的问题,: 在哪里 在(2。4)和(2。5),是物质密度,是电子的数量每核子,是核子的质量。在上学期我们全球使用最适合的分析电动汽车。一般的电子数密度在生产点的各种太阳中微子通量列在下表中1。这些数据提供给太阳能密度的差异探测中微子的不同来源,但正确的精确计算是由平均的生存概率与生产点分布对应的源(5,16,45]。

我们观察到在(2。1)取决于中微子能量和在特定的组合。属性可能有以下影响限制:(1)由于发生转变相当于转移我们的分析计算的函数不可避免地影响整个频谱。(2)尽管如此,我们一般认为的约束()主要来自中微子频谱能量高(低)。看来,显然是矛盾的言论都是真正的结果部分3。

2.1。能谱

太阳中微子可见采取在一个实验中还没有显示能源的依赖。中微子振荡的参数,我们不能指望强大能量依赖性。中微子的能量较低,小,(2。1)可以近似 而在高能量,小振荡概率(2。1)可以近似,只保留第一个能量依赖性任期 注意,修正渐近行为是线性的在低能量下时二次在高的能量。这可能意味着能量谱在低能量下更有利于加强约束这些公式提供了领先的修正是有效的。

众所周知,在我国以LMA机制,⁸B中微子光谱必须显示一个从渐近高能好转(兆电子伏)较低的能量。所描述的行为修正项(2。7),但只有在定性水平。它表明,好转组件在频谱的递减函数。另一方面,在低能量下pp填充,⁷,pep中微子,太阳中微子能谱显示vacuum-averaged振荡或脱散,(2。6)。偏离这种渐近低能量限制可以修正项的描述(2。6)在(更好的)定性水平。取决于这个词线性的修正项是一个递增函数。因为负号的修正项(2。6),更大的价值导致较小的绝对值在低收入和高能区域。(简单的方法达到同样的结论是使用属性前面提到的。然后,对于大()对应于一个更高的能量。自是一个单调递减函数的,大,小。)

如何准确的是上面的行为预测的近似解析表达式,我们计算数值PREM概要文件(使用)的平均作为一个电子能量的函数。在这里,意味着平均与中微子中微子能量通量多次微分截面集成在真正的电子能量响应函数。在上面的表达式,与和的截面和分别散射。上述计算结果证实定性行为基于我们的解析近似。因此,太阳中微子的能量谱在低和高的能量可以限制通过这种方式,将定量的部分3。

2.2。昼夜变化

的生存概率在夜晚期间太阳中微子穿过地球可以写,假设绝热性,(46,47] 在哪里是一个给定的(2。1)。表示地球和给出的再生效果,在那里是第二个质量本征态的跃迁概率。地球密度近似不变的条件下,是由(46,47] 通过的距离,我们已经介绍了。在(2。9),和站混合角和参数(见(2。4)与物质密度在地球。中微子参数所允许的范围内太阳中微子数据,平均振荡项在好的近似综合天顶角。然后,方程简化 在兆电子伏,这是一个典型的能量⁸B中微子,和的平均密度克/厘米³和电子部分在地球。然后,给药为和。这个结果与更详细的估计是在合理的协议使用PREM概要文件(27地球物质的密度。

我们现在给一个简单的估计的昼夜不对称假设恒定密度近似地球及其重要依赖。小的近似下再生效果,昼夜不对称CC数N_CC测量大约是由 在右边有近似不对称的生存概率的一天,晚上在一个适当的中微子的能量和忽视的秩序。注意,太阳能和地球物质密度的影响只包含在和,分别。

在兆电子伏,,,,因此,约3%昼夜不对称。请注意,为,这样的影响在只给了一个小修改。虽然基于近似的价值在获得以上是在良好的协议与SNO CC评估数值的测量。

SNO和SK观察测量CC的昼夜不对称反应和弹性散射(CC + NC),分别。我们已经计算的函数数值(06)不使用解析近似。的结果与线性扩展在一个好的近似,。同样,昼夜不对称弹性散射测量可以很容易地计算。它的关系可以以类似的方式估计(2.11), 考虑到由于数控散射修正。使用近似的价值观,和方括号的因素可以被估计的比例,给一个合理的近似来。一个更好的近似的计算结果依赖不对称的。

3所示。限制由太阳中微子可见

在本节中,我们研究定量到什么程度可以受到当前和未来太阳中微子的数据。我们的计算结果呈现在图1,补充相关的数据表2。我们将讨论结果和一些细节以循序渐进的方式的影响。我们首先讨论当前可用的约束的数据(部分3.1)。然后,我们解决问题的约束可以加强与未来太阳中微子数据,光谱好转⁸B中微子(部分3.2),低能耗⁷是和pep中微子(部分3.3),最后太阳中微子的昼夜不对称通量(部分3.4)。我们特别注意如何限制的问题取决于这些测量的重要性。

3.1。当前的限制

我们在全球包括分析KamLAND和所有可用的太阳中微子数据(6- - - - - -15,17,19- - - - - -23]。获取所有的结果引用在本文中,我们忽视了混合角度和是小质量的平方的差异太阳中微子通量(16,48)实施光度约束(49,50]。我们包括在分析依赖来自大气的分析,加速器,和反应堆的数据包含在51),以及最近的测量由(37- - - - - -41]。的被定义为使用 在玛格意味着排斥在参数显示但不是结束了吗。更多细节的分析方法中可以找到48]。

当前可用的中微子数据(蓝色实线),其中包括SNO低阈值数据21,22)和SK IV (23),不允许一个非常精确的确定参数。的一个独特的特性抛物线如图1小型和大型之间的不对称吗地区。在抛物线已经相当陡峭,“墙”是如此激烈,包括未来的数据很难被改变。在斜率是相对温和的。更多的定量,在1(3CL。最适合点与当前数据明显大于团结,。1.32之前和推动更大的价值主要由新SK数据表明物质效果比预期强劲的垃圾LMA KamLAND地区首选的数据。大最适合的值也可以在一定程度上是由于工件的弱点的约束地区。请注意,我国以标准模型理论价值从1吗地区只有少量,见表2。让我们了解这些特征。

上下界主要来自于SK SNO数据显示⁸B中微子光谱在高能量绝热LMA所描述的很垃圾的解决方案()。能量谱非常接近一个平面可以近似与修正由于依赖资源项的贡献(见(2。7))。与真空振动值是不一致的,因此这一点是非常不好的,显示的证据问题的效果。

有人会认为,上限应该来自低能量的太阳中微子数据或偏离高能量的平谱。但是,我们仍然缺乏低能太阳中微子的精确信息,和光谱的好转⁸B[中微子没有观察到超出了水平19,20.]。然后,上界的起源大约在CL吗?我们认为这主要来自于昼夜不对称⁸B微中子通量的分箱数据中包含SK和SNO。最近,SK合作报道昼夜不对称的一个积极的迹象,尽管数据仍然是一致的,没有不对称在2.3CL (23]。

展示这一点,我们构建一个非常简单的模型昼夜不对称的。它是由近似线性的来。让我们开始从SK I-IV昼夜不对称的数据用D / N振幅的方法获得的(23]:%,如果添加到交总误差1.2%。的期望LMA解决方案%的电动汽车²。然后,你可以创建一个近似模型作为。

尽管不可否认原油性质似乎捕获的定性特征与当前数据(蓝色实线)图1在地区。它预测确实有点太陡峭的上升并导致在,而在图1。在实际的图的数值分析1然而,抛物线可以自然地变得不那么陡峭,因为其他各种参数变化来适应如此大的值。因此,我们发现约2的证据在SK数据很可能灵敏度的主要原因在该地区。简单的模型无法解释的行为在地区在图1工作,因为其他更强大的机制是导致更强的约束正如上面所讨论的。

在多大程度上的一种改进的知识影响吗?建议一个专用的反应堆中微子实验可以测量来2%的准确率(52,53]。也期望精密测量的pp频谱可以改善的准确性决心类似的程度(48]。因此,有趣的是检查在多大程度上的一种改进的知识影响限制。因此,我们重新计算曲线显示在图1通过添加人工项在假设2%的精度的决心。表中给出了这个计算的结果2在括号中。正如我们看到的,改善的效果的大小知识不是非常重要的。

3.2。光谱的太阳能高能量的中微子

好转的证据⁸B中微子光谱必须致力于限制的更大价值因为可能是非常大的没有好转,如果昼夜不对称被忽略。我们讨论的影响看到好转的反冲电子能谱和3意义,我们认为在该地区兆电子伏。计算我们假设的错误估计的SK协作(23]。将模拟数据添加到现有数据集产生品红色虚线图1。我们发现3减少了25%允许的范围内,在1(3CL。我们可以看到,它提高了上限,当前约束(蓝色实线)相当疲弱,但精度的改善仍然是温和的。

有些言论的最小值点。最适合与当前数据点从上面的例子我们看到。分析未来数据讨论了和随后的部分,我们假设最低总是在模拟数据。因此,分析目前+模拟数据往往把最小的较小值,同时使在最低抛物线窄。这两个特性之间的阴谋当前约束(蓝色实线)几乎退化到另一行与光谱的好转(红色虚线)和低能中微子(红色dash-dotted线)。这些特性可以观察到图1和表2。

3.3。太阳中微子在低能量下的频谱

现在,让我们向低能太阳中微子,⁷和pep线。Borexino协作已经测量了⁷是neutrino-electron散射率的准确性≃±5%15在这一节),我们假设。为鼓舞士气的中微子在未来我们假设测量精度为3%。参见[24]第一pep中微子观测及其当前状态的不确定性。

pep通量的测量有两个重要的优势,相比⁷通量,在决定:(a)的中微子能量较高,1.44兆电子伏,因此太阳能的重要性问题影响较大,(b)理论的不确定性估计要小得多。首先,pep的pp微中子通量的比值强劲取决于有关SSM的计算,所以它比个人通量可以更准确地确定,因为比只有弱取决于太阳天体物理输入。其次,一个非常精确的测量⁷与所有其他太阳能通量,数据和假设节能(亮度约束)会导致一个非常精确的pp和pep通量,确定的水平1%的准确率(48]。另一方面,确定⁷通量实验,我们必须使用有关SSM通量来确定中微子的生存概率,因此,理论估算的不确定性(16限制的精度⁷是流量测量。

红dash-dotted线路图1显示的结果未来的低能量数据的联合分析,改进⁷测量精度为5%,未来pep测量精度为3%,添加到当前数据。获得的限制是在1(3CL。由此产生的限制从上面获得更强大的比高能的频谱好转⁸B中微子在3。

通过太阳中微子光谱信息在高和低能量很容易问紧约束变得如果我们结合起来。这个练习的结果是由红色虚线图绘制1并在表给出2。由此产生的限制是在1(3CL。

3.4。昼夜不对称

有一种感觉在多大程度上限制可以加强未来可能的测量,我们扩展了简单模型中讨论部分3.1,但进一步简化假设最适合。让我们假定昼夜不对称可以确定%的准确性,昼夜不对称的证据CL。然后,适当的模型同一近似下给出节吗3.1作为。我们大胆假设的昼夜不对称CL将是一个实用的目标SK。它预测,这意味着可以限制在1 33%的准确性不确定性CL。

现在,我们给结果基于真正的模拟数据。黑色虚线图1显示了限制获得的未来CL昼夜不对称的度量,这是添加到当前太阳中微子的数据。正如我们看到的,昼夜不对称是非常敏感的潜力,尽管我们温和的假设CL测量。(考虑到有力的昼夜不对称约束,它是非常理想的测量在未来以更高的CL。当然,这将是一个具有挑战性的任务,可能需要一个百万吨级类水切伦科夫或大量液体闪烁体探测器与太阳中微子探测能力。其中包括,例如,Hyper-Kamiokande [54],UNO [55]或[中描述的56])。获得的限制是在1(3CL。获得的上限实际上是比我们预期的一个简单的模型。除了这种转变的韧皮适合更大的价值的行为更像在该地区。它还可以看到在图1上限由于在3昼夜不对称CL(黑色虚线)比的组合分析的所有预期的测量光谱的形状(红色虚线)讨论的部分3.3。

3.5。全球分析

我们现在讨论在多大程度上约束可以成为严格当所有的各种可观测的数据总和。固体绿线在图1显示了限制通过全球分析结合所有的数据集被认为是在我们的分析。获得的灵敏度读取在1(3CL。因此,现在和未来太阳中微子数据,测量的精度表示的假设下,可以限制来在1 15% (40%)(3)从下面和CL在1 20% (60%)(3从上面)CL。如果我们比较这当前约束错误的改善在当前的精度,非常粗略地说,的一个因素1.5 - 2在地区,它是一个因素2在。注意到添加更多数据的效率有更严格的约束最低的是削弱了吗、改进的约束更重要的是。

4所示。总结

在这篇文章中,我们已经讨论了这个问题在多大程度上测试分选理论可以严格的通过各种太阳中微子可见。首先,我们更新了限制,中微子的有效耦合常数的比例费米耦合常数,新数据包括SNO⁸B频谱和SK昼夜不对称。然后,我们详细讨论了如何以及在多大程度上太阳中微子观测未来紧缩限制。

获得约束的特征可以概括如下。(我)太阳中微子的解释数据在高真空振动能量的严重排斥SNO和SK实验,导致一个强大的和健壮的下界。另一方面,昼夜不对称≃2σ观察到SK主导着绑定在高水平的一面。我们发现现在的数据导致在1(3CL。标准模型预测外1CL系列,但只有少量。(2)我们已经探讨了改进,可以通过太阳中微子实验,正在进行建设。我们讨论了三个可见很敏感,可以显著提高的限制,尤其是在该地区:(a)的好转⁸在3 B太阳中微子谱在低能量下CL, (b)高精度测量单色的低能太阳中微子,⁷精度(5%),和pep(3%精度)的中微子,(c)昼夜不对称的⁸B太阳中微子流量3CL。它们会导致一定的改善如下:(一) 在1(3CL,(b) 在1(3CL,(c) 在1(3CL。可以预期未来测量SNO + (57,58]和KamLAND [59)可以发现频谱调制B的中微子在CL高于在低能量下。最后,通过结合所有的数据我们已经考虑获得在1(3CL。(3)就像前面提到的1,有效的中微子物质耦合的问题放在更广阔的背景中考虑可能会更好的对待NSI的框架。如果我们考虑扩展设置与加速器和大气中微子测量寻找NSI的影响,非对角元素()可以更好的受到长基线实验。事实上,与小扰乱性的治疗参数与假设的条款和二阶的吗,而只有在三阶(60]。分析表明,敏感确实是降低至少一个数量级的相比呢或。看到分析(61年)和参考引用。它也知道可以通过大气中微子(严格限制62年]。因此,我们认为太阳中微子仍然是一个强大的和互补的探针在这种扩展设置。

总之,测试中微子传播的理论问题值得进一步努力。缺乏一个准确测量的潜力感到由太阳中微子只反映出太阳中微子数据不精确确定质量平方分裂。独立的良好匹配质量平方分裂取决于太阳中微子和反应堆反中微子数据将证实标准模型预言的相对折射率电子中微子中微子其他味道。缺乏匹配的测量将指向新物理的测试。

确认

我们感谢伽利略理论物理研究所和研讨会的组织者”是什么热情好客的?”。c Pena-Garay支持部分由西班牙MICINN赠款fpa - 2007 - 60323和fpa2011 - 29678的Generalitat Valenciana格兰特PROMETEO / 2009/116,和ITN隐形(玛丽·居里行动,pitn - ga - 2011 - 289442)。部分支持h . Minakata KAKENHI,科学研究补助金23540315号,日本促进社会科学。

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