ステライルニュートリノ

ステライルニュートリノ（または不活性ニュートリノ）は、標準モデルの他の基本的な相互作用を介さず、重力のみを介して相互作用する仮想的な粒子（中性レプトン-ニュートリノ）です。^[1]ステライルニュートリノという用語は、標準モデルで知られている通常のアクティブニュートリノ（アイソスピン電荷が±）と区別するために使用されます。+1/ 2 ⁠と弱い相互作用をします。この用語は通常、右利きのカイラリティを持つニュートリノ（右利きニュートリノを参照）を指し、標準モデルに挿入される可能性があります。ステライルニュートリノの量子数を持ち、ビッグバン元素合成の現在の理論を妨げないほど十分に大きい質量を持つ粒子は、しばしば中性重レプトン（NHL）または重い中性レプトン（HNL）と呼ばれます。^[2]

右巻きニュートリノの存在は理論的に十分に根拠がある。なぜなら、既知の活性ニュートリノは左巻きであり、他のすべての既知のフェルミオンは左巻きと右巻きの両方のカイラリティで観測されているからである。^[3]また、ニュートリノ振動から推定される小さな活性ニュートリノ質量を自然な方法で説明できる可能性がある。^[3]右巻きニュートリノ自体の質量は未知であり、10 ¹⁵  GeV、1 eV未満です。^[4]レプトン生成理論と暗黒物質理論に従うには、少なくとも3種類のステライルニュートリノ（存在する場合）が必要です。 ^{[5]これは、}電弱相互作用に異常がないことを保証するために必要なアクティブニュートリノタイプの数が、荷電レプトンとクォークの世代 の数でちょうど3でなければならないこととは対照的です。

ステライルニュートリノの探索は、素粒子物理学の活発な分野です。ステライルニュートリノが存在し、その質量が実験中の粒子のエネルギーよりも小さい場合、活性ニュートリノとステライルニュートリノを混合するか、高エネルギー粒子の衝突によって、実験室で生成できます。より重い場合、その存在の直接観測可能な唯一の結果は、観測された活性ニュートリノ質量になります。ただし、暗黒物質、バリオン生成、仮説上の暗黒放射など、物理宇宙論や天体物理学における多くの説明のつかない現象の原因となっている可能性があります。^[4] 2018年5月、MiniBooNE実験の物理学者は、予想よりも強いニュートリノ振動信号を報告しました。これはステライルニュートリノの可能性を示唆しています。 ^{[6] [7]}しかし、 2021年10月のMicroBooNE実験の結果では、ステライルニュートリノの証拠は示されませんでした。 ^[8]

実験結果によると、生成および観測されたニュートリノはすべて左巻きのヘリシティ（運動量とスピンが反平行）を持ち、反ニュートリノはすべて右巻きのヘリシティを持つことが誤差の範囲内で示されています。^[3]質量ゼロの極限では、どちらの粒子についても2つの可能なカイラリティのうち1つだけが観測されることを意味します。これらは、粒子相互作用の標準モデルで許可されている唯一のヘリシティ（およびカイラリティ）です。反対のヘリシティを持つ粒子は、式から明示的に除外されます。^[9]

しかし、ニュートリノ振動などの最近の実験は、ニュートリノがゼロではない質量を持つことを示しており、これは標準モデルでは予測されておらず、新しい未知の物理学を示唆している。 ^[10]この予想外の質量は、右巻きのヘリシティを持つニュートリノと左巻きのヘリシティを持つ反ニュートリノを説明しています。これらは光速で移動しないため、そのヘリシティは相対論的に不変ではありません（これらよりも速く移動して、反対のヘリシティを観測することは可能です）。^[11]しかし、すべてのニュートリノは左巻きのカイラリティで観測されており、すべての反ニュートリノは右巻きです。（違いについては、 カイラリティ（物理学）§ カイラリティとヘリシティを参照してください。）

カイラリティは粒子の基本的な性質であり、相対論的に不変です。つまり、あらゆる慣性基準系において、粒子の速度と質量に関係なく同じです。^[12]しかし、左利きのカイラリティで始まる質量を持つ粒子は、移動するにつれて右利きの成分を発達させる可能性があります。質量がゼロでない限り、カイラリティは空間を自由粒子が伝播する間（名目上はヒッグス場との相互作用を通じて）保存されません。

したがって、疑問は残ります。ニュートリノと反ニュートリノは、そのキラリティーのみが異なるのでしょうか? それとも、エキゾチックな右巻きニュートリノと左巻き反ニュートリノは、一般的な左巻きニュートリノと右巻き反ニュートリノとは別の粒子として存在するのでしょうか?

このような粒子は、強い相互作用と弱い相互作用に関してシングレット 表現に属し、電荷ゼロ、弱いハイパー電荷ゼロ、弱いアイソスピンゼロ、そして他のレプトンと同様に色電荷ゼロであるが、慣例的に B − L量子数が−1であると表現される。^[13]標準モデルが仮想的なSO(10)大統一理論に埋め込まれている場合、これらにはX電荷−5を割り当てることができる。左巻きの反ニュートリノのB − Lは+1で、X電荷は+5である。

ステライルニュートリノは電荷、超電荷、色電荷がないため、電磁相互作用、弱い相互作用、強い相互作用を経ず、検出が極めて困難です。ステライルニュートリノは通常のレプトンやヒッグス粒子と湯川相互作用を起こし、ヒッグス機構によって通常のニュートリノと混合します。

質量よりも大きなエネルギーを扱う実験では、ステライル ニュートリノは、通常のニュートリノが関与するすべてのプロセスに関与しますが、その量子力学的確率は小さな混合角によって抑制されます。そのため、ステライル ニュートリノが現在の粒子加速器の届く範囲に十分軽い場合、実験でステライル ニュートリノを生成することが可能です。

これらは質量があるため重力的にも相互作用し、十分に重い場合は冷たい暗黒物質や温かい暗黒物質を説明できる。SO (10)などの一部の大統一理論では、SO(10)由来のゲージボソンの質量が非常に大きいため、通常のエネルギーではゲージ相互作用が極端に抑制されている。Georgi -Glashowモデルなどの他のGUTにはまったく現れない（つまり、SU(5)電荷や量子数はすべてゼロ）。

標準模型では、ラグランジアンにはディラック質量項が存在しないため、すべての粒子は最初は質量がありません。唯一の質量項はヒッグス機構によって生成され、フェルミオンの左手成分、ヒッグス場、およびそれらの右手成分の間に非ゼロの湯川結合を生成します。これは、SU (2)二重項ヒッグス場が非ゼロの真空期待値 を獲得し、SU (2) _{L × U(1) 対称性}を自発的に破り、非ゼロの湯川結合を生じるときに発生します。 ${\displaystyle \phi}$${\displaystyle \nu}$

${\displaystyle {\mathcal {L}}(\psi )={\bar {\psi }}(i\partial \!\!\!/)\psi -G{\bar {\psi }}_{L }\phi \psi _{R}}$

電子のような荷電レプトンの場合も同様ですが、標準モデルでは右巻きニュートリノは存在しません。したがって、左巻きニュートリノとペアになる不活性右巻きニュートリノがなければ、湯川結合があっても活性ニュートリノは質量なしのままです。言い換えると、標準モデルではニュートリノの質量生成項はありません。各世代について、モデルには左巻きニュートリノとその反粒子である右巻き反ニュートリノのみが含まれており、それぞれが弱い相互作用中に弱い固有状態で生成されます。「不活性」ニュートリノは省略されます。(詳細な説明については、 標準モデルにおけるニュートリノの質量を参照してください。)

シーソー機構では、モデルは、失われた右巻きニュートリノと左巻き反ニュートリノを含めるように拡張され、ニュートリノ質量行列の固有ベクトルの 1 つが、もう 1 つよりも著しく重いと仮定されます。

ステライル（右カイラル）ニュートリノは、その反粒子と同じ弱ハイパー電荷、弱アイソスピン、電荷を持ちます。これは、これらがすべてゼロであり、したがって符号反転の影響を受けないためです。^[a]

ステライル ニュートリノでは、通常どおりディラック質量項を導入できます。これにより、観測されるニュートリノ質量が得られますが、湯川結合の強さが電子ニュートリノの場合、電子の場合よりはるかに弱くなる必要がありますが、その理由は説明できません。同様の問題 (ただし、それほど深刻ではありません) がクォーク セクターでも観測されており、トップとボトムの質量は 40 倍も異なります。

左利きニュートリノとは異なり、ステライルニュートリノには弱電荷がないため、局所対称性（弱アイソスピンおよび弱ハイパーチャージ）に違反することなく、マヨラナ質量項を追加できます。ただし、これは依然として総レプトン数に違反します。

ディラック項とマヨラナ項の両方を含めることも可能であり、これはシーソー機構（下記）で行われる。マヨラナ方程式を満たすことに加えて、ニュートリノがそれ自身の反粒子でもある場合、それは最初のマヨラナ粒子となる。その場合、それは別のニュートリノと消滅することができ、ニュートリノなしの二重ベータ崩壊が可能になる。^{[14]もう1つのケースは、それが}ディラック粒子であり、それ自身の反粒子ではない場合 である。

これを数学的に表現するには、粒子の変換特性を利用する必要があります。自由場の場合、マヨラナ場は電荷共役の固有状態として定義されます。しかし、ニュートリノは弱い相互作用を介してのみ相互作用し、これは電荷共役(C) に対して不変ではないため、相互作用するマヨラナ ニュートリノは C の固有状態にはなり得ません。一般化された定義は、「マヨラナニュートリノ場は CP 変換の固有状態である」です。その結果、マヨラナ ニュートリノとディラック ニュートリノは CP 変換 (実際にはローレンツ変換とCPT変換) に対して異なる動作をします。また、質量のあるディラック ニュートリノは磁気双極子モーメントと電気双極子モーメントがゼロではありませんが、マヨラナ ニュートリノはそうではありません。しかし、マヨラナ ニュートリノとディラック ニュートリノが異なるのは、静止質量がゼロでない場合のみです。ディラックニュートリノの場合、双極子モーメントは質量に比例し、質量のない粒子の場合は消えます。ただし、マヨラナ質量項とディラック質量項の両方を質量ラグランジアンに挿入できます。

弱い荷電カレントで同族の荷電レプトンと結合する左巻きニュートリノに加えて、右巻きのステライルニュートリノパートナー（電荷ゼロの弱い等一重項）も存在する場合、電弱対称性を破ることなくマヨラナ質量項を追加することが可能です。^[15]

左巻きニュートリノと右巻きニュートリノはどちらも、もはや正確には保存されない質量と利き手を持つ可能性があります（したがって、「左巻きニュートリノ」は状態がほとんど左であることを意味し、「右巻きニュートリノ」は状態がほとんど右巻きであることを意味します）。ニュートリノの質量固有状態を取得するには、一般的な質量行列を対角化する必要があります。${\displaystyle \ M_{\nu }:}$

${\displaystyle M_{\nu }\approx {\begin{pmatrix}0&m_{\text{D}}\\m_{\text{D}}&M_{\text{NHL}}\end{pmatrix}}}$

ここで、は中性の重いレプトンの質量で、これは大きく、は中間サイズの質量項で、ステライル ニュートリノとアクティブ ニュートリノの質量を相互に結び付けます。この行列は、名目上、アクティブ ニュートリノに 0 質量を割り当てますが、これらの項は、ステライル ニュートリノの膨大な質量の一部がアクティブ ニュートリノに「漏れ出す」経路を提供します。 ${\displaystyle \ M_{\text{NHL}}\ ,}$${\displaystyle \m_{\text{D}}\}$${\displaystyle \m_{\text{D}}\}$${\displaystyle \ M_{\text{NHL}}\ ,}$

経験的証拠とは別に、標準モデルのさまざまな拡張におけるシーソー機構の理論的根拠もあります。大統一理論(GUT) と左右対称モデルはどちらも次の関係を予測しています。

${\displaystyle m_{\nu }\ll m_{\text{D}}\ll M_{\text{NHL}}\ .}$

GUTと左右モデルによれば、右巻きニュートリノは非常に重い。一方、小さい方の固有値は近似的に次のように与えられる。 ${\textstyle M_{\text{NHL}}\sim 10^{5}\ldots 10^{12}{\text{ GeV }},}$

${\displaystyle m_{\nu }\approx {\frac {m_{\text{D}}^{2}}{M_{\text{NHL}}}}\ .}$^[16]

これがシーソー機構です。ステライル右巻きニュートリノが重くなると、通常の左巻きニュートリノは軽くなります。左巻きニュートリノは2つのマヨラナニュートリノの混合物であり、この混合プロセスによってステライルニュートリノの質量が生成されます。

暗黒物質の候補と考えられる粒子は、質量がゼロでなく、電磁荷電を持たない必要がある。^[17]当然のことながら、ニュートリノとニュートリノのような粒子は、この両方の特性を備えているため、暗黒物質の探索において興味深い。観測結果から、冷たい暗黒物質（非相対論的）は熱い暗黒物質（相対論的）よりも多いことが示唆されている。したがって、標準モデルの活性ニュートリノは質量が非常に低く（したがって速度が非常に速い）、暗黒物質のすべてを説明できる可能性は低い。^[18]

ステライルニュートリノの質量の上限は分かっていないため、アクティブニュートリノの場合とは異なり、ステライルニュートリノが暗黒物質である可能性はまだ排除されていない。暗黒物質がステライルニュートリノで構成されている場合、その特性に特定の制約を適用することができる。第一に、現在観測されている宇宙の構造を作り出すためには、実験によってまだ除外されていない残りの超対称モデルのパラメータ空間に基づくと、ステライルニュートリノの質量はkeVスケールである必要がある。^[19] 第二に、暗黒物質が安定している必要はないが、粒子の寿命は現在の宇宙の年齢よりも長くなければならない。これにより、シーソー機構におけるステライルニュートリノとアクティブニュートリノの混合の強さに上限が置かれる。^[20] これまでにわかっていることから、ステライルニュートリノは有望な暗黒物質候補であると考えられますが、提案されている他のすべての暗黒物質粒子と同様に、その存在はまだ確認されていません。

ステライルニュートリノの生成と崩壊は、仮想（「質量外殻」）ニュートリノとの混合によって起こる可能性がある。NHLを発見または観測するために、フェルミ国立加速器研究所のNuTeV（E815）実験や欧州原子核研究機構（CERN）のLEP-L3実験など、いくつかの実験が実施された。それらはすべて、それらの粒子の実際の観測ではなく、観測の限界を確立することにつながった。それらが実際に暗黒物質の構成要素である場合、それらの崩壊によって放出される放射線を観測するために、高感度のX線検出器が必要になるだろう。^[21]

ステライルニュートリノは、クォークや荷電レプトンと同様に、電弱対称性の破れ後にディラック質量を介して通常のニュートリノと混合する可能性がある。 ^[22]ステライルニュートリノと（より複雑なモデルでは）通常のニュートリノはマヨラナ質量を持つこともある。タイプ1のシーソー機構では、ディラック質量とマヨラナ質量の両方を使用して通常のニュートリノ質量を下げ、ステライルニュートリノを標準モデルの相互作用ニュートリノよりもはるかに重くする。GUTスケールのシーソーモデルでは、重いニュートリノはGUTスケールと同じくらい重くなる可能性がある（≈10 ¹⁵  GeV）。^[23] νMSMモデルなどの他のモデルでは、それらの質量はkeVからGeVの範囲にあり、弱いゲージボソンWとZよりも軽い可能性がある。^[24] 軽い（質量が液体シンチレータニュートリノ検出器実験の結果を説明する可能性のあるものとして、1 eV程度のステライルニュートリノが提案された。2007年4月11日、フェルミ国立加速器研究所のMiniBooNE実験の研究者らは、そのようなステライルニュートリノの存在を裏付ける証拠は見つからなかったと発表した。^[25] さらに最近の結果と分析では、ステライルニュートリノの存在を裏付ける証拠がいくつか示されている。^[26]

フランスの原子炉付近の2つの別々の検出器で、反ニュートリノの3%が失われていることが発見されました。これは、質量が1.2 eVの4番目のニュートリノの存在を示唆しています。^[27] ダヤベイも軽いステライルニュートリノを探索し、いくつかの質量領域を除外しました。^[28] ダヤベイ共同研究チームは反ニュートリノのエネルギースペクトルを測定し、約5 MeVのエネルギーの反ニュートリノが理論上の予測よりも過剰であることを発見しました。また、6%の反ニュートリノが失われていることも記録されました。^[29] これは、ステライルニュートリノが存在するか、ニュートリノの他の側面に関する理解が不完全であることを示唆している可能性があります。

ニュートリノの数と粒子の質量は、宇宙マイクロ波背景放射の外観を形作る大規模な影響を及ぼす可能性がある。例えば、ニュートリノ種の総数は、宇宙の最初期における膨張率に影響を及ぼし、ニュートリノの数が多いほど膨張が速いことを意味する。プランク衛星2013のデータリリースは、ステライルニュートリノの存在と矛盾しない。示唆される質量範囲は0～3 eVである。^{[30] [検証失敗–議論を参照]} 2016年、アイスキューブニュートリノ観測所の科学者は、ステライルニュートリノの証拠を見つけられなかった。^[31] しかし、2018年5月、MiniBooNE実験の物理学者は、予想よりも強いニュートリノ振動信号を報告した。これはステライルニュートリノの兆候である可能性がある。^{[6] [7]} それ以来、2021年10月に行われたMicroBooNE実験の最初の結果では、ステライルニュートリノの兆候は見られず、むしろ標準モデルの3つのニュートリノフレーバーと一致する結果が見つかりました。^[32]しかし、この結果ではMiniBooNEの異常な結果を説明することはできませんでした。

2022年6月、BEST実験は、⁷¹ Ga + ν _e → e ⁻ + ⁷¹ Geの反応から予想される同位体ゲルマニウムの生成が20～24%不足していることを観測した2つの論文を発表しました。いわゆる「ガリウム異常」は、ステライルニュートリノの説明がデータと一致する可能性があることを示唆しています。^{[33] [34] [35]}

2023年1月、STEREO実験は最終結果を発表し、ウラン235の核分裂に関連する反ニュートリノエネルギースペクトルの最も正確な測定を報告した。データは標準モデルと一致しており、質量が約1eVの軽いステライルニュートリノの仮説を否定している。^[36]

2023年にCMSによる探索の結果、質量が2～3GeVのステライルニュートリノの新たな限界が設定された。^[37]

• 仮想粒子のリスト
• フェルミ国立加速器研究所のMiniBooNE
• 弱い相互作用をする細長い粒子

• 「ステライルニュートリノ」www.nu.to.infn.it。ニュートリノの解放。2016年6月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• 「フェルミ国立加速器研究所における NuTeV 実験」。フェルミ国立加速器研究所。
• 「 CERNにおける L3 実験」。CERN 。
• 「実験により4番目のニュートリノが消滅」。サイエンティフィック・アメリカン。2007年4月。