[論文レビュー] Constraints on neutrino electric millicharge from experiments of elastic neutrino-electron interaction and future experimental proposals involving coherent elastic neutrino-nucleus scattering

A. Parada|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2019

Neutrino Physics Research被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、既存の原子炉ニュートリノ-電子散乱（ENES）データの統計的分析を行い、将来のコherent elastic neutrino-nucleus scattering（CENNS）実験がニュートリノ電気ミリチャージを制約する感度を予測している。ENESの統合限界は $-1.1\times 10^{-12}e < q_\nu < 9.3\times 10^{-13}e$（90% C.L.）であり、将来のCENNSの限界は $-1.8\times 10^{-14}e < q_\nu < 1.8\times 10^{-14}e$（90% C.L.）である。これは、CENNSがニュートリノ電磁的性質をより厳密に制約するための極めて有望な今後の手法であることを示している。

ABSTRACT

In several extensions of the Standard Model of Particle Physics (SMPP), the neutrinos acquire electromagnetic properties such as the electric millicharge. Theoretical and experimental bounds have been reported in the literature for this parameter. In this work, we first carried out a statistical analysis by using data from reactor neutrino experiments, which include elastic neutrino-electron scattering (ENES) processes, in order to obtain both individual and combined limits on the neutrino electric millicharge (NEM). Then we performed a similar calculation to show a estimate of the sensitivity of future experiments of reactor neutrinos to the NEM, by involving coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CENNS). In the first case, the constraints achieved from the combination of several experiments are $-1.1 imes 10^{-12}e &lt; q_ν &lt; 9.3 imes 10^{-13}e$ ($90\%$ C.L.), and in the second scenario we obtained the bounds $-1.8 imes 10^{-14}e &lt; q_ν &lt; 1.8 imes 10^{-14}e$ ($90\%$ C.L.). As we will show here, these combined analyses of different experimental data can lead to stronger constraints than those based on individual analysis. Where CENNS interactions would stand out as an important alternative to improve the current limits on NEM.

研究の動機と目的

• 複数の過去および現在の原子炉ニュートリノ-電子散乱（ENES）実験のデータを統合して、ニュートリノ電気ミリチャージ（NEM）の制約を強化すること。
• 高信号対雑音比の潜在的特徴を活用して、将来のコherent elastic neutrino-nucleus scattering（CENNS）実験のNEMに対する感度を評価すること。
• CENNSの予想される感度を、ENESの既存の限界および天体物理学的観測と比較し、NEMを制約する主なプローブとしての可能性を評価すること。
• 系統的不確実性が将来のCENNSに基づくNEM制約に与える影響を定量化すること。特に、イベントスペクトルに1%および3%の不確実性が含まれる場合を想定する。

提案手法

• カイ二乗（$\Delta\chi^2$）最小化を用いた統計的分析が、TEXONO、GEMMA、その他のENES実験のデータを統合するために適用され、NEMの共同限界が導出された。
• イベントスペクトルの統計的および系統的不確実性が分析に組み込まれ、系統的誤差は全イベント数の1%および3%としてモデル化された。
• 将来のCENNSの提案については、原子炉ニュートリノ源からのシミュレートされたイベントスペクトルを用いて感度を予測した。高エネルギー分解能および低背景の検出器を仮定した。
• ニュートリノ電気ミリチャージは尤度関数内で自由パラメータとして扱われ、90%信頼水準（C.L.）の信頼区間は $\Delta\chi^2 = 2.71$ の基準から導出された。
• 個々の実験の結果と統合解析の結果を比較し、データ統合による感度向上の程度を評価した。
• 統計的および系統的誤差の伝搬を分析し、後者の影響がCENNS提案の最終的な感度限界に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の既存ENES実験の統合解析から得られる、ニュートリノ電気ミリチャージの最も厳しい制約は何か？
• RQ2 現実的な系統的不確実性を想定した場合、将来のCENNS実験はニュートリノ電気ミリチャージに対してどの程度感度を示すか？
• RQ3 CENNS実験は、現在のENESに基づく限界を上回る感度を持つだろうか？
• RQ4 イベントスペクトルの系統的不確実性が、CENNS実験のNEMに対する予想される感度にどのように影響するか？

主な発見

• 複数のENES実験の統合解析により、90% C.L.での限界は $-1.1\times 10^{-12}e < q_\nu < 9.3\times 10^{-13}e$ となり、これはGEMMA実験の個別限界よりも厳密である。
• 将来のCENNS実験で統計的不確実性のみを仮定した場合、90% C.L.での予想限界は $-1.8\times 10^{-14}e < q_\nu < 1.8\times 10^{-14}e$ である。
• イベントスペクトルに1%の系統的不確実性を含めた場合、90% C.L.での予想限界は $-3.8\times 10^{-14}e < q_\nu < 3.8\times 10^{-14}e$ に広がる。
• 3%の系統的不確実性を含めると、限界は $-9.0\times 10^{-14}e < q_\nu < 8.8\times 10^{-14}e$ にさらに広がり、感度の著しい低下が示された。
• CENNSに基づく限界は、現在のENESに基づく限界よりも約2桁感度が高く、今後の改善の強い可能性を示している。
• 結果から、系統的不確実性が低減すれば、CENNS実験はニュートリノ電気ミリチャージを制約する主な手法となる可能性があると示唆された。