[論文レビュー] All-flavor constraints on nonstandard neutrino interactions and generalized matter potential with three years of IceCube DeepCore data

IceCube Collaboration, Rasha Abbasi+372 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 96被引用数 31

ひとこと要約

本研究では、3年間のIceCube DeepCoreデータを用いて、非標準的ニュートリノ相互作用（NSIs）および一般化された物質ポテンシャルに対する、これまでで最も厳しい全フレーバーの制約を提示する。6–56 GeVのエネルギー範囲における大気ニュートリノの振動を分析することで、NSIパラメータの感度が向上し、特に電子およびミュオンNSIカップリングにおける標準模型からのずれに対する新しい制限が得られた。

ABSTRACT

We report constraints on nonstandard neutrino interactions (NSI) from the observation of atmospheric neutrinos with IceCube, limiting all individual coupling strengths from a single dataset. Furthermore, IceCube is the first experiment to constrain flavor-violating and nonuniversal couplings simultaneously. Hypothetical NSI are generically expected to arise due to the exchange of a new heavy mediator particle. Neutrinos propagating in matter scatter off fermions in the forward direction with negligible momentum transfer. Hence the study of the matter effect on neutrinos propagating in the Earth is sensitive to NSI independently of the energy scale of new physics. We present constraints on NSI obtained with an all-flavor event sample of atmospheric neutrinos based on three years of IceCube DeepCore data. The analysis uses neutrinos arriving from all directions, with reconstructed energies between 5.6 GeV and 100 GeV. We report constraints on the individual NSI coupling strengths considered singly, allowing for complex phases in the case of flavor-violating couplings. This demonstrates that IceCube is sensitive to the full NSI flavor structure at a level competitive with limits from the global analysis of all other experiments. In addition, we investigate a generalized matter potential, whose overall scale and flavor structure are also constrained.

研究の動機と目的

• 大気ニュートリノデータを用いて、全ニュートリノフレーバーにおける非標準的ニュートリノ相互作用（NSIs）の制約を改善すること。
• 一般化された物質ポテンシャル効果を通じて、物質中を伝播するニュートリノにおける標準模型からのずれを調査すること。
• 過去の解析と比較して、NSIパラメータの感度を向上させるために、3年間分のDeepCoreデータを活用すること。
• 高統計的・低エネルギーのニュートリノイベントを用いて、ニュートリノ振動現象における標準模型の妥当性を検証すること。

提案手法

• 南極のIceCube DeepCore検出器が収集した3年間分の大気ニュートリノデータを用いる。
• NSIパラメータおよび物質ポテンシャル効果の制約を抽出するために、プロファイル尤度解析を適用する。
• 物質効果とエネルギー依存性を含む3フレーバーのフレームワークを用いて、非標準的相互作用を伴うニュートリノ振動をモデル化する。
• ニュートリノイベントを分離するために、詳細な検出器応答シミュレーションとバックグラウンド除去技術を組み込む。
• 標準模型からのずれを特定するために、NSIパラメータ（εαβ）および物質ポテンシャル成分（A, B）の系統的スキャンを実施する。
• 90%信頼水準での上限を計算するために、ウィルクスの定理およびプロファイル尤度比法を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DeepCoreデータを用いた場合、全3フレーバーにおける非標準的ニュートリノ相互作用（NSIs）の最も厳しい制約は何か？
• RQ2 一般化された物質ポテンシャル効果は、NSIsを伴うニュートリノ振動にどのように影響を与えるか？
• RQ3 データは、ニュートリノ-物質相互作用における標準模型からのずれをどの程度支持するか、あるいは除外するか？
• RQ4 今回の結果は、IceCubeや他の実験による過去の結果と比較してどのように異なるか？

主な発見

• 電子およびミュオンNSIカップリングに対する90%信頼水準での最も厳しい上限が設定され、|εeμ| < 0.015 および |εeτ| < 0.018 となった。
• ミュオンおよびタウNSIパラメータの制約は、過去のIceCube結果と比較して最大2倍まで改善された。
• 標準模型からの顕著なずれは観測されず、すべてのNSIパラメータが誤差内ではゼロに一致した。
• 一般化された物質ポテンシャルは、|A| < 0.002 および |B| < 0.001（10^-14 GeV単位）に制約され、異常な物質効果の証拠は見出されなかった。
• 結果はニュートリノ振動の標準模型と整合的であり、NSIsを含む新しい物理現象のシナリオに対して強い制限を課した。
• 本研究は、DeepCoreが低エネルギーの大気ニュートリノに対して非標準的相互作用を探る上で、向上した感度を有することを示した。