[論文レビュー] A Plan to Rule out Large Non-Standard Neutrino Interactions After COHERENT Data

Peter B. Denton, Yasaman Farzan+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2018

Neutrino Physics Research被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、COHERENTのCEνNSデータと将来的な原子炉実験（CONUS）を用いて、5–12 MeVの軽い中間子を伴う大規模な非標準的ニュートリノ相互作用（NSI）を除外する戦略を提案する。COHERENTデータは95%信頼水準で$M_{Z^\prime} > 48$ MeVのLMA–ダーク解を除外するが、$ee$-セクターのLMA–ダーク解を完全に除外するには、COHERENT、CONUS、および宇宙論的プローブ（BBN/CMB）の併合制約が必要であり、$\mu\mu$/$\tau\tau$セクターはMeVスケールの中間子に対して依然として妥当であることが示される。

ABSTRACT

In the presence of neutrino Non-Standard Interactions (NSI) with matter, the derivation of neutrino parameters from oscillation data must be reconsidered. In particular, along with the standard solution to neutrino oscillation, another solution known as "LMA--Dark" is compatible with global oscillation data and requires both $\ heta_{12}>\\pi/4$ and a certain flavor pattern of NSI with an effective coupling comparable to $G_F$. Contrary to conventional expectations, there is a class of models based on a new $U(1)_X$ gauge symmetry with a gauge boson of mass of few MeV to few 10 MeV that can viably give rise to such large NSI. These models can in principle be tested by Coherent Elastic $\ u$-Nucleus Scattering (CE$\ u$NS) experiments such as COHERENT and the upcoming reactor neutrino experiment, CONUS. We analyze how the recent results from the COHERENT experiment constrain these models and forecast the discovery potential with future measurements from COHERENT and CONUS. We also derive the constraints from COHERENT on lepton flavor violating NSI.

研究の動機と目的

• COHERENTのCEνNS測定後、軽い$Z^\prime$中間子を伴う大規模NSIが依然として妥当であるかどうかを評価すること。
• COHERENTのデータと将来的な原子炉実験によるLMA–ダーク解（$\theta_{12} > \pi/4$ および $\epsilon \sim \mathcal{O}(1)$）の制約を評価すること。
• 将来的なCEνNS実験（COHERENTおよびCONUS）が、さまざまなNSIセクター（$ee$、$\mu\mu$、$\tau\tau$）におけるLMA–ダーク解をどの程度感度でテストできるかを特定すること。
• 特に、振動データのデゲネラシーの文脈において、軽い$Z^\prime$ボソンが大規模NSIを生成する$U(1)_X$に基づくモデルの妥当性を検討すること。
• CEνNSの制約と宇宙論的制約（BBNおよびCMB）を組み合わせることで、LMA–ダーク解の残りのギャップを埋めること。

提案手法

• 次元6のNSIラグランジアンを用いた有効場理論フレームワーク：$\mathcal{L}_{\text{NSI}} \supset 2\sqrt{2}G_F \epsilon_{\alpha\beta}^{f,V} (\bar{\nu}^\alpha \gamma^\mu \nu_\beta)(\bar{f}\gamma_\mu f)$ で、NSIの強さを$\epsilon_{\alpha\beta}^{f,V}$でパrameter化する。
• CsI検出器におけるCOHERENTのCEνNS断面積を分析し、keV領域の再結合エネルギーを持つ核へのコherent散乱をモデル化する。
• COHERENTの6.7$\sigma$検出結果に基づく95%信頼水準の統計的制約を用い、$M_{Z^\prime}$（$Z^\prime$中間子質量）の関数として$g_\nu g_q$の積を制約する。
• 50%稼働率を仮定し、CsIを10年間走行した場合の将来的なCOHERENT感度を予測し、$\epsilon = 0$をベースラインとして設定する。
• CEνNSの制約とビッグバン核合成（BBN）および宇宙マイクロ波背景（CMB）からの宇宙論的制約を組み合わせ、$M_{Z^\prime} \lesssim 5$ MeVを制限する。
• ドイツウム検出器を用いたCONUS原子炉ニュートリノ実験の発見可能性を評価し、$ee$-セクターNSIに焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COHERENTのCEνNSデータ後、5–12 MeVの$Z^\prime$中間子を伴う大規模NSIは依然として妥当であるか？
• RQ2 COHERENTの現在および将来的なCEνNS測定は、$\theta_{12} > \pi/4$ および $\epsilon \sim \mathcal{O}(1)$ のLMA–ダーク解をどの程度制約できるか？
• RQ3 将来的な原子炉ベースのCEνNS実験（CONUS）と宇宙論的データを組み合わせることで、$ee$-セクターにおけるLMA–ダーク解を完全に除外できるか？
• RQ4 振動データのデゲネラシー（例：フラバー不変の$x$パrameterやGMOD）は、CEνNS制約にもかかわらずLMA–ダーク解を維持する役割を果たすか？
• RQ5 COHERENT、CONUS、および宇宙論的制約を組み合わせた後、MeVスケールの$Z^\prime$中間子に対して$\mu\mu$および$\tau\tau$NSIセクターは依然として妥当か？

主な発見

• COHERENTのデータは、CsI検出器におけるCEνNS測定に基づき、95%信頼水準で$M_{Z^\prime} > 48$ MeVのLMA–ダーク解を除外する。
• CsIを10年間走行する将来的なCOHERENT測定では、$M_{Z^\prime}$の制約が約10 MeVまで改善されるが、これは宇宙論的制約とのギャップを埋めるには不十分である。
• COHERENT、CONUS、および宇宙論的制約（BBNおよびCMB）を組み合わせることで、$x \to 2$の特別な場合（$x$はフラバー不変NSI寄与をパラメータ化）を除き、$ee$-セクターにおけるLMA–ダーク解を完全に除外できる。
• 将来的なCEνNSデータ後も、MeVスケールの$Z^\prime$中間子に対して$\mu\mu$および$\tau\tau$セクターのLMA–ダーク解は依然として妥当であり、これらのチャネルに対する制約が弱いためである。
• $\mu\mu$チャネルに存在するデゲネラシー（$ee$には存在しない）により、$g_\nu g_q$ 対 $M_{Z^\prime}$ 平面上に狭い許容パラメータ領域が残り、これは高統計の将来的な実験でのみ解消可能である。
• $x=2$のケース（$\epsilon_{ee} = \epsilon_{e\mu} = \epsilon_{e\tau} = 0$ だが $\epsilon_{\mu\mu}, \epsilon_{\tau\tau} \neq 0$）は微調整ではなく、電気的不感（electrophobia）などの対称性によって動機づけられ、$\mu\mu$/$\tau\tau$ LMA–ダーク解の妥当性を保つ。