[論文レビュー] Examining the sensitivity of FASER to Generalized Neutrino Interactions

F. J. Escrihuela, L. J. Flores+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、LHCにおけるFASERν実験が一般化されたニュートリノ相互作用（GNI）に対して示す感度を調査する。有効場理論フレームワークを用いて、スカラー、ベクトル、軸性ベクトル、擬スカラー、テンソル結合をニュートリノ-核子深エネルギー非弾性散乱にモデル化する。FASERνはGNI有効結合に対してきびしい制約を達成し、中性荷電現在ではCHARMおよびCDHS実験と同等の感度を示し、特にミュオンおよび電子ニュートリノチャンネルおよびベクトル／軸性ベクトル相互作用において、電荷現在でも競争力がある。

ABSTRACT

We investigate the sensitivity of the FASER$ν$ detector, a novel experimental setup at the LHC, to probe and constrain generalized neutrino interactions (GNI). Employing a comprehensive theoretical framework, we model the effects of generalized neutrino interactions on neutrino-nucleon deep inelastic scattering processes within the FASER$ν$ detector. By considering all the neutrino channels produced at the LHC, we perform a statistical analysis to determine the sensitivity of FASER$ν$ to constrain these interactions. Our results demonstrate that FASER$ν$ can place stringent constraints on the GNI effective couplings. Additionally, we study the relation between GNI and a minimal Leptoquark model where the SM is augmented by a singlet Leptoquark with hypercharge $1/3$. We have found that the sensitivities for various combinations of the Leptoquark Yukawa couplings are approximately $\mathcal{O}(1)$, particularly when considering a Leptoquark mass in the TeV range.

研究の動機と目的

• FASERνがスカラー、擬スカラー、ベクトル、軸性ベクトル、テンソル結合を含む一般化されたニュートリノ相互作用（GNI）に対して示す感度を評価すること。
• 非標準的相互作用（NSI）を超えて、有効場理論フレームワーク内で可能なすべてのローレンツ構造を組み込むこと。
• FASERνがニュートリノ系における新しい物理をどのように探査できるか、特にレプトクォークモデルの文脈で評価すること。
• FASERνの予想される制約を、CHARMおよびCDHS実験からの既存の実験的限界と比較すること。
• ハイパーチャージ1/3の最小単一レプトクォークモデルとの関連を検討し、GNIパラメータとレプトクォークのヤコビィ結合の制約を焦点にすること。

提案手法

• すべての可能なローレンツ構造（スカラー、擬スカラー、ベクトル、軸性ベクトル、テンソル相互作用）を含む一般化された4フェルミオンラグランジアンを用いた有効場理論（EFT）フレームワークを採用する。
• FASERνの運動学的および検出器の受容性に適合する、電荷現在（CC）および中性荷電現在（NC）ニュートリノ-核子深エネルギー非弾性散乱過程の微分断面積を計算する。
• FASERνイベントのシミュレーションサンプルを用いた統計的解析により、90%信頼水準（CL）でのGNI有効結合の制限を導出する。
• 全ニュートリノフレーバーの統合と、エネルギー分解能および受容性カットを含むFASERν検出器の完全な応答を考慮する。
• GNIパラメータ空間を、ハイパーチャージ1/3の最小単一$S_1$レプトクォークモデルにマッピングし、GNI結合をレプトクォークのヤコビィ結合に関連付ける。
• FASERνの制約を、CHARMおよびCDHS実験からの既存の限界および同じレプトクォークモデルに対するLZ実験の限界と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FASERνは、すべてのローレンツ構造（スカラー、ベクトル、軸性ベクトル、テンソル、擬スカラー）に対して、電荷現在および中性荷電現在の両方の過程で、一般化されたニュートリノ相互作用にどの程度感度を示すか？
• RQ2 GNI結合の制約は、異なるニュートリノフレーバー（電子、ミュオン、タウ）および相互作用タイプによってどのように変化するか？
• RQ3 最小$S_1$レプトクォークモデル（ハイパーチャージ1/3）のパラメータ空間は、FASERνによってどの程度制限されるか？
• RQ4 FASERνの予想されるGNI結合の限界は、CHARMおよびCDHS実験からの既存の限界と定量的にどの程度比較できるか？
• RQ5 FASERνの感度は、特にベクトルおよび軸性ベクトル相互作用の文脈で、ニュートリノおよびクォークへのレプトクォーク結合をどのように探査できるかにどのような意味を持つのか？

主な発見

• FASERνはGNI有効結合に対してきびしい制約を達成し、特にベクトルおよび軸性ベクトル相互作用に対して感度が最も高く、次いでテンソル相互作用が続く。
• 最も感度の高いGNIパラメータはミュオンおよび電子ニュートリノに結合するものであり、タウニュートリノ結合は著しく制約が弱い。
• 中性荷電現在の過程では、FASERνの感度はCHARMおよびCDHS実験と同等であり、両実験の統合データに比べて約3倍弱い制約にとどまる。
• 最小$S_1$レプトクォークモデルでは、1000 GeVのレプトクォーク質量に対して、左・右ヘンドのヤコビィ結合の積$y^{L}_{d u}y^{R}_{d u}$は$Ó(1)$に制限され、LZ実験と同等の感度を示す。
• $y^{L}_{d u}y^{R}_{d u}$結合の積の制約は、ミュオンニュートリノ相互作用で最も強く、タウニュートリノで最も弱く、GNIのパターンと一致する。
• 解析により、FASERνはベクトルおよび軸性ベクトル結合に関して、直接的ダークマター探索と同等の感度で、ニュートリノおよびダウンクォークへのレプトクォーク結合を探査可能であることが示された。