資料5 ニュートリノ研究の動向（1）（PDF:3588KB）

第4回素粒子原子核物理作業部会
2014年9月22日＠文部科学省
資料５
ニュートリノ研究の動向
中家剛（京都大学）
1
14年9月16日火曜日
目次
--- p3-6
• 目指す物理
--- p7-8
• 進展
--- p9-13
• 課題
• 日本の実験 --- p14-18
--- p19-23
• 世界の動向
• 最後に --- p24-26 2
14年9月16日火曜日
標準模型を超えて（統一理論を目指す）
ラグランジアンに質量項をどう加えるのか？右巻きニュートリノ
は（暗黒物質との関係？？）？
ヒッグス粒子との結合は？
can solve cosmological
problems (leptogenesis,
•
mν < 0.1 eV/c2, ¦mν32-mν12¦ = 0.05 (eV/c2) simplicity,
predictivity
(few
parameters!)
2
me = 511,000 eV/c , E可視光 2eV, E室温 0.026eV
14年9月16日火曜日
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Right
Left
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CP対称性は保たれているのか？
4
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Dirac粒子かMajorana粒子か？
物質優勢宇宙創造の起源か？3
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46
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"
!
Right
ニュートリノは3世代か？
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Left
混合パターンの比較
!
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EEE
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Left
質量構造（階層性）の比較
'%..:
粒子と反粒子の対称性
•
•
•
EE
E
Right
レプトンとクォークの対称性
•
•
•
•
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)86?%((0&6@A0&'3),.B6."3,6C
Left
•
•
;!%&7.
•
“naturally”
appears
in
models
involving
U
(1),
B−L
極小のニュートリノ質量の存在
e.g. left-right symmetric, SO(10) GUT. . .
<0"(),.
•
1. 目指す物理（素粒子物理学の観点から）
all other fermions come in both chiralities
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4
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95
4
4
+0%7
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5FG6>0H6
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+0%7
8)&#0
A view on the, T HEORETICAL S TA
L = LSM
1 ¯c
† c
†
†
¯
˜
˜
+ i ν¯R ∂/νR − LL yνR H − ν¯R y LH − (ν R MM νR + ν¯R MM
νR )
2
Minkowski 1979, Gell-Mann/Ramond/Slansky 1979, Mohapatra/Senjanovic 1979, Yanagida 1980
1
0
c
⇒ (νL νR )
T
m
2
GUT seesaw
TeV
GeV
D
!
ntroduction
mD
keVMM
"!
!eV
νLc
νR
Introduction
"
Summary
GUT seesaw
The GUT seesaw
TeV
GeV
!eV
keV
Summary
The electroweak / TeV seesaw
Pros:
Majorana masses MM introduce new mass
scale(s)
some theoretical arguments
no new scale Asaka/Shaposhnikov
classical scale invariance Khoze/Ro,. . .
two sets of Majorana mass states with small mixing θ # 1
allows for leptogenesis
−1
−1
Pros: here θ = mD M
The GeV seesaw
M = vyMM
Introduction
GUT seesaw
TeV
GeV
!eV
keV
Summary
during νR decay Pilaftsis 9707235
during νR production Akhmedov/Rubakov/Smirnov 9803255, Garbrecht 1401.3278
Pros:
new states can be found at LHC Smirnov/Kersten 0705.3221
theoretically well-motivatedin GUTs, e.g. SO(10)
some theoretical arguments
hints in EW data? Akhmedov/Kartavtsev/Lindner/Michaels/Smirnov 1302.1872
“naturally” explains small neutrino masses
Cons:
Introduction
no new scale Asaka/Shaposhnikov
classical
scale invariance
Khoze/Ro,.
..
GUT seesaw
TeV
GeV
Summary
small
Yukawa couplings y
allows for leptogenesis Akhmedov/Rubakov/Smirnov 9803255, Asaka/Shaposhnikov 0505013
The
keV seesaw
even without
mass constrained
degeneracy from low energy observations,
accessible
regime
Pros:in
MaD/Garbrecht
1206.5537,
1404.7114
particular
ν →Canetti/MaD/Garbrecht
eγ, 0νββ-decay,
PMNS-unitarity
“naturally” leads to leptogenesis Fukugita/Yanagida
indirect experimental access to very high scales
dΓ /dE (a.u.)
Ibarra/Molinaro/Petcov 1103.6217, Abada/Das/Teixeira/Vicente/Weiland 1211.3052 and 1311.2830,
can
principle
explain
newinstates
can be
foundneutrino
in mesonmasses
decays at BELLE II, LHCb or
Basso/Fischer/van der Bij 1310.2057, Endo/Yoshinaga 1404.4498
SHIP Canetti/MaD/Frossard/Shaposhnikov 1208.4607, Canetti/MaD/Garbrecht 1404.7114
can be Dark Matter (cold, warm,
non-thermal. . .)
A view on the, T HEORETICAL S TATUS OF N EUTRINO P HYSICS
CP-violation in the sterile sector may be measurable Cvetic/Kim/Zamora-Saa
Cons:
1403.2555
new states experimentally inaccessible
!eV
keV
can be tested
Cons:
KATRIN type experiments
×1015
14 /
25
no mixing
20
ms = 10 keV, sin2Θ = 0.2
15
very small
y , cancellations
A view on the, T HEORETICAL
SYukawa
TATUS
OF N EUTRINO
P HYSICS
astrophysics
/ couplings
cosmology
10
adds to hierarchy problem
10 / 23
5
courtesy S. Martens
A view on the, T HEORETICAL S TATUS
0
0
2
4
OF
N EUTRINO P HYSICS
6
8
10
12
14
16 / 23
16
18
E (keV)
Cons:
very tiny Yukawa couplings y , cancellations
a state can only either be DM or contribute to neutrino mass
simplest scenario (Dodelson/Widrow) disfavoured by data
4
A view on the, T HEORETICAL S TATUS
14年9月16日火曜日
OF
A view on the, T HEORETICAL S TATUS
N EUTRINO P HYSICS
OF
N EUTRINO P HYSICS
18 /
12 / 23
Power of Expedition
102
104
106 108 1010 1012 1014 1016 1018
experimental reach [GeV]
(with significant simplifying assumptions)
courtesy Zoltan Ligeti
5
14年9月16日火曜日
Unified
Theories
lepton flavor
quark flavor
dark matter
LHC
Tevatron
proton deay
neutrino
a GUT
一例
1. 統一
1. 力（ゲージ）の統一 (w/ SUSY)
3. 粒子（クォーク・レプトン）の統一
• 10i(Qi) は階層性が 5i(L)より強い
• 階層性
• 混合: レプトン (大きい) >> クォーク (小さい)
• 質量: Uタイプ >> Dダイプ, 電子タイプ >> ニュートリノ
6
14年9月16日火曜日
2. これまでの進展
•
•
•
•
•
1987年：超新星ニュートリノの初観測：Kamiokande
1998年：ニュートリノ振動（質量）の発見：Super-Kamiokande
2000年：タウニュートリノの直接観測：DONUT
2002年：太陽ニュートリノ欠損の解明：Super-Kamiokande, SNO
2002∼2004年：ニュートリノ振動の確証、精密測定
•
•
•
•
•
長期線原子炉反ニュートリノ実験：KamLAND
大気ニュートリノによる精密測定： Super-Kamiokande
2005年：地球反ニュートリノの初観測: KamLAND
2011∼2013年：第3のニュートリノ振動の観測
•
•
•
•
長期線加速器ニュートリノ実験：K2K
長期線加速器ニュートリノ実験：T2K
原子炉反ニュートリノ実験：Daya-Bay, Double-Chooz, RENO
2012年：高エネルギー宇宙ニュートリノの初観測：IceCube
2014年：ニュートリノ振動におけるタウニュートリノの直接観測：OPERA
7
14年9月16日火曜日
日本のニュートリノ研究の成果（一部）
重要な結果を発表した論文の引用数
4201
1998
ニュートリノ振動発見 1999
2000
大気ν
太陽ν
加速器ν
原子炉ν
1112 太陽ニュートリノ振動発見
511 タウニュートリノ発見
2001
2002
1020
2003
加速器νでν振動測定
2163 原子炉νでν振動測定
2004
2005
1097
2006
引用数>500のみ
—
853
2011
552
2012
0
14年9月16日火曜日
加速器で電子ν出現発見
原子炉でθ1133測定
500
1000
1500
8
2000
次の流れ
5:00

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