[論文レビュー] Bounds on new physics with data of the Dresden-II reactor experiment and COHERENT

Pilar Coloma, Ivan Esteban+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2022

Neutrino Physics Research参考文献 93被引用数 53

ひとこと要約

本論文は、ドイツのドレスデン-II原子炉実験から得られたデータを用いて、新物理に対する最初の制約を提示する。この実験は、原子炉反ニュートリノを用いた共鳴的弾性ニュートリノ核散乱（CEνNS）の最初の観測を報告した。ドレスダン-IIのデータとスパラレーション中性子源からのCOHERENTデータを組み合わせることで、ニュートリノの非標準的相互作用（NSI）、磁気モーメント、および軽いスカラー・ベクトル媒介粒子に関する制約が強化された。特に、電子との弾性散乱による感度向上が顕著であり、20 MeV未満の質量を持つ軽いベクトル媒介粒子に対しては、制約が最大5倍まで改善された。

ABSTRACT

Coherent elastic neutrino-nucleus scattering was first experimentally established five years ago by the COHERENT experiment using neutrinos from the spallation neutron source at Oak Ridge National Laboratory. The first evidence of observation of coherent elastic neutrino-nucleus scattering with reactor antineutrinos has now been reported by the Dresden-II reactor experiment, using a germanium detector. In this paper, we present constraints on a variety of beyond the Standard Model scenarios using the new Dresden-II data. In particular, we explore the constraints imposed on neutrino non-standard interactions, neutrino magnetic moments, and several models with light scalar or light vector mediators. We also quantify the impact of their combination with COHERENT (CsI and Ar) data. In doing so, we highlight the synergies between spallation neutron source and nuclear reactor experiments regarding beyond the Standard Model searches, as well as the advantages of combining data obtained with different nuclear targets. We also study the possible signal from beyond the Standard Model scenarios due to elastic scattering off electrons (which would pass selection cuts of the COHERENT CsI and the Dresden-II experiments) and find more stringent constraints in certain parts of the parameter space than those obtained considering coherent elastic neutrino-nucleus scattering.

研究の動機と目的

• ドレスダン-II実験で観測された最初の原子炉反ニュートリノを用いた共鳴的弾性ニュートリノ核散乱（CEνNS）のデータを用いて、標準模型を越える（BSM）物理に対する新しい制約を導出すること。
• 原子炉実験とスパラレーション中性子源実験（例：COHERENT）の間の相乗効果を、CEνNSおよび電子散乱を通じてBSMのシナリオを探索する上で定量すること。
• これまでのBSM解析で無視されてきた、電子との弾性散乱が、軽い媒介粒子や磁気モーメントを含むモデルにおける感度向上に与える影響を評価すること。
• Ge、CsI、Arといった異なる核標的の感度を比較し、フレーバー依存性および普遍的なBSM相互作用を制約すること。
• 低運動量移動領域における実験の到達範囲を評価し、CEνNSが支配的でない状況において、特に軽い新物理を探索する能力を検討すること。

提案手法

• ドレスダン-II実験から新たに公開された高露出量データを用い、ゲルマニウム検出器においてCEνNSがバックグラウンドよりも強く支持されることを確認した。
• スパラレーション中性子源のCOHERENT実験（CsIおよびアルゴン検出器）のデータとドレスダン-IIのデータを組み合わせ、ニュートリノのフレーバー組成と標的核種の違いを活用した。
• 非標準的ニュートリノ相互作用（NSI）、ニュートリノ磁気モーメント、および軽いスカラー・ベクトル媒介粒子を含むさまざまなBSMモデルにおける、イベント率の予測を構築した。
• ベイズ統計的手法を用いて、信号仮説（BSM＋標準模型）をバックグラウンドのみの仮説と比較し、ベイズ因子と事後分布を計算した。
• Ge、CsI、Arの各検出器に対して、クエンチング因子、エネルギー分解能、および電子束縛エネルギー補正（有効Zeffを用いて）を実際の検出器特性に合わせて組み込んだ。
• 各実験およびその組み合わせの感度を、特に運動量移動が小さい領域（ESが支配的となる領域）におけるさまざまなBSMパラメータに対して評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドレスダン-II実験から得られた新規データは、従来の制約と比較して、ニュートリノの非標準的相互作用（NSI）に対する制約をどの程度改善するか？
• RQ2 CEνNS実験において、電子散退を含めることで、軽いベクトルおよびスカラー媒介粒子に対する感度はどの程度向上するか？
• RQ3 特にフレーバー依存性のあるBSM相互作用に対して、COHERENT（SNS）とドレスダン-II（原子炉）のデータを組み合わせた場合の感度向上はどの程度か？
• RQ4 ニュートリノ磁気モーメントの制約について、COHERENTとドレスダン-IIの結果を比較し、異なるニュートリノフレーバーに対してどちらの実験がより感度が高いか？
• RQ5 パrameter空間のどの領域で、電子散乱がCEνNSを上回るようになるか？ また、100 MeV未満の軽い媒介粒子に対して、その影響は何か？

主な発見

• 電子散乱（ES）を解析に組み込むことで、20 MeV未満の質量を持つ軽いベクトル媒介粒子（B−Lおよび普遍的モデル）に対する制約が、CEνNSのみの制約と比較して最低でも5倍改善された。
• COHERENTのCsIデータにおいて、ESは信号に顕著な寄与を示し、低質量のベクトル媒介粒子領域では、CEνNSのみの制約よりも強い制約が得られた。
• ニュートリノ磁気モーメントの制約に関しては、ドレスダン-IIのデータがCOHERENTを上回るが、ミュオンニュートリノの磁気モーメントについては、COHERETの混合フレーバー中性子線束でのみ測定可能であるため、例外的である。
• COHERENT（CsI、Ar）とドレスダン-II（Ge）のデータを組み合わせることで、非標準的相互作用（NSI）パラメータのデゲネラシーが解消され、特に電子フレーバーNSIパラメータの制約が顕著に改善された。
• 軽いスカラー媒介粒子およびニュートリノ磁気モーメントに関しては、ドレスダン-IIのエネルギー範囲ではCEνNSが支配的信号であるが、高エネルギー領域ではESが競合的になる。
• 今後の解析で再構成エネルギー範囲を拡張すれば、ドレスダン-II実験の軽いベクトル媒介粒子を含むBSMシナリオに対する感度が顕著に向上する可能性がある。