[論文レビュー] An Active-to-Sterile Neutrino Transition Dipole Moment and the XENON1T Excess

Ian M. Shoemaker, Yu-Dai Tsai+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、恒星的制約を破らないように、活性ニュートリノと不活性ニュートリノの間の磁気双極子モーメント遷移が、XENON1Tの電子反跳過剰を説明できると提案している。不活性ニュートリノの質量が約260 keVまたは500–800 keVの範囲にある場合、SN1987Aや星間エネルギー損失の制約を回避できる。また、初期宇宙における低再加熱温度がビッグバン核合成（BBN）の制約を緩和する。

ABSTRACT

In this short letter, we find that a magnetic transition dipole moment between tau and sterile neutrinos can account for the XENON1T excess events. Unlike the ordinary neutrino dipole moment, the introduction of the new sterile mass scale allows for astrophysical bounds to be suppressed. Interestingly, the best-fit regions that are compatible with the SN1987A imply either boron-8 or CNO neutrinos as the source flux. We find that sterile neutrinos of either $\sim$ 260 keV or in the $\sim$(500 - 800) keV mass range are capable of evading astrophysical constraints while being able to successfully explain the XENON1T event rate. The sterile neutrino in the best fit parameter space may have significant effects on big bang nucleosynthesis (BBN). We show the region in which a low reheating temperature of the Universe may allow the BBN constraints to be alleviated.

研究の動機と目的

• 新しいニュートリノ双極子ポータル相互作用を用いて、XENON1Tの電子反跳過剰を説明すること。
• 通常はこのようなモデルを排除する厳しい恒星的制約（例：SN1987A や星間エネルギー損失）を回避すること。
• XENON1Tのデータと宇宙論的制約に整合する、実現可能な不活性ニュートリノ質量および結合定数を特定すること。
• 初期宇宙における低再加熱温度が、不活性ニュートリノに対するビッグバン核合成（BBN）制約をどのように緩和できるかを調査すること。
• 初期宇宙における熱平衡化および崩壊過程を考慮した場合、双極子ポータルモデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• モデルは、次の相互作用ラグランジアンにより、活性（タウ）ニュートリノと不活性ニュートリノの間の遷移磁気双極子モーメントを導入する：$\mathcal{L} \supset d(\bar{\nu}_L \sigma_{\mu\nu} F^{\mu\nu} N) + \text{h.c.}$、ここで $d$ は双極子結合定数である。
• 不活性ニュートリノにはディラック質量 $m_4$ が割り当てられ、活性ニュートリノとの混合が無視できるほど小さいと仮定することで、強い制約を回避する。
• 太陽ニュートリノフラックス（pp、CNO、および $^8$B）を用いてXENON1Tでのイベント率を計算し、検出器の効率を含めた観測された過剰と比較する。
• $\nu + \gamma \to N$ および $\nu + e^- \to N$ による $N$ の生成の熱平衡化率を、熱平均断面積を用いて計算し、ハッブル定数と比較する。
• 熱平衡化率が2–5 MeV未満でハッブル定数を超えないようにパラメータ空間を制約し、$N$ の過剰生成を避けてBBNを破壊しないようにする。
• 低再加熱温度（$T_{\rm RH} \sim 2{-}5$ MeV）が熱平衡化およびBBNに与える影響を評価し、このような状況では強い制約を回避できることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 活性ニュートリノと不活性ニュートリノの間の遷移磁気双極子モーメントが、XENON1Tの電子反跳過剰を説明できるか？
• RQ2 このようなモデルが、SN1987A や星間エネルギー損失からの恒星的制約をどのように回避できるか？
• RQ3 XENON1Tのデータと宇宙論的制約に整合する、不活性ニュートリノ質量および双極子結合定数は何か？
• RQ4 初期宇宙における低再加熱温度が、不活性ニュートリノに対するビッグバン核合成（BBN）制約を緩和できるか？
• RQ5 逆反応（$\nu + \gamma \to N$）は、不活性ニュートリノの熱平衡化に果たす役割と、宇宙論的制約に与える影響は何か？

主な発見

• XENON1Tの過剰は、質量が約260 keVまたは500–800 keVの範囲にある不活性ニュートリノとタウニュートリノの間の遷移双極子モーメントによって説明可能である。
• 新たな不活性ニュートリノ質量スケールのおかげで、恒星的制約が抑制され、SN1987A や星間エネルギー損失の制約を回避できる。
• $^8$B ニュートリノとCNO ニュートリノの最適適合領域は、低再加熱温度状態（$T_{\rm RH} \sim 2{-}5$ MeV）と整合的であり、熱平衡化が抑制され、BBN制約が緩和される。
• $^8$B ニュートリノフラックスは、$m_4 \sim 640$ keV および $d \sim 2.2 \times 10^{-9}~\mu_B$ の周辺で最適適合領域を示し、観測されたXENON1T信号スペクトルと一致する。
• $\nu + \gamma \to N$ の逆反応は熱平衡化において重要な役割を果たし、$T \sim m_4/2$ で共鳴を示し、特定の領域では $e^- + \nu \to N$ よりも支配的になる。
• 2 MeV や 5 MeV 未満で熱平衡化率がハッブル定数を超えるパラメータ領域を同定し、有効な領域はこれらの曲線より下に位置しており、低 $T_{\rm RH}$ の下ではBBNに問題がない可能性があることが示された。