[論文レビュー] Generic neutrino interactions with sterile neutrinos in light of neutrino-nucleus coherent scattering and meson invisible decays

Tong Li, Xiao-Dong Ma+1 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、低エネルギー効果的場理論（LNEFT）およびストレートニュートリノを含む標準模型効果的場理論（SMNEFT）を用い、CE$\nu$NSおよびメソンの非可視崩壊を通じてストレートニュートリノの相互作用を制約する。メソン崩壊が、クォーク-ニュートリノ相互作用における$\tau$-フラバーおよび$s$-クォーク成分に対して唯一の感受性の高いプローブであることが判明した。一方、CE$\nu$NSは他のウィルスン係数に対して最もきつい制約を与える。これにより、さまざまなオペレーターに対して0.5–1.5 TeVおよび2.7–10 TeVの新物理スケールが得られた。

ABSTRACT

In this work we study the current bounds from the CE$ u$NS process and meson invisible decays on generic neutrino interactions with sterile neutrinos in effective field theories. The interactions between quarks and left-handed SM neutrinos and/or right-handed neutrinos are first described by the low-energy effective field theory (LNEFT) between the electroweak scale and the chiral symmetry breaking scale. We complete the independent operator basis for the LNEFT up to dimension-6 by including both the lepton-number-conserving (LNC) and lepton-number-violating (LNV) operators involving right-handed neutrinos. We translate the bounds on the LNEFT Wilson coefficients from the COHERENT observation and calculate the branching fractions of light meson invisible decays. The bounds on LNEFT are then mapped onto the SM effective field theory with sterile neutrinos (SMNEFT) to constrain new physics above the electroweak scale. We find that the meson invisible decays can provide the only sensitive probe for $ au$ neutrino flavor component and $s$ quark component in the quark-neutrino interactions involving two (one) active neutrinos and for the effective operators without any active neutrino fields. The CE$ u$NS process places the most stringent bound on all other Wilson coefficients. By assuming one dominant Wilson coefficient at a time in SMNEFT and negligible sterile neutrino mass, the most stringent limits on the new physics scale are $2.7-10$ TeV from corresponding dipole operator in LNEFT and $0.5-1.5$ TeV from neutrino-quark operator in LNEFT.

研究の動機と目的

• 右巻きニュートリノを含む、次元6までのLNEFTにおける独立なオペレーター基底を完成させること。これには、レプトン数保存および非保存の両方の相互作用を含む。
• CE$\nu$NS実験およびメソンの非可視崩壊からの制約をLNEFTのウィルスン係数に翻訳すること。
• LNEFTの制約を、ストレートニュートリノを含む標準模型効果的場理論（SMNEFT）にマッピングし、電弱スケールより上の新物理を探る。
• ストレートニュートリノ相互作用における特定のニュートリノフラバーおよびクォーク成分に対して、どの過程が最も感受性の高いプローブであるかを特定すること。
• 1つの主要なウィルスン係数を仮定し、ストレートニュートリノ質量を無視した場合に、新物理スケールの定量的制約を導出すること。

提案手法

• 左巻きSMニュートリノ、右巻きニュートリノ、クォークを含むLNEFTにおける次元6オペレーターの完全な基底を構築する。これには、LNCおよびLNV相互作用を含む。
• COHERENT実験によるコherentニュートリノ-核子散乱（CE$\nu$NS）の実験データを用い、LNEFTのウィルスン係数を制約する。
• 軽いメソンの非可視崩壊（例：$K^+ \to \mu^+ \nu_\mathrm{inv}$）の分岐比を計算し、LNEFTパラメータに対する追加の制約を抽出する。
• 得られたLNEFTの制約をSMNEFTフレームワークにマッピングし、電弱スケールより上の新物理スケールに対する制約として解釈する。
• 1つの主要なウィルスン係数を仮定し、ストレートニュートリノ質量を無視することで、新物理スケールに対する保守的な上限を導出する。
• ストレートニュートリノを含むSMEFTフレームワークを適用し、結果を有効結合定数とそのエネルギースケールによる抑制の観点から解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストレートニュートリノ相互作用における$\tau$-フラバーおよび$s$-クォーク成分を含むクォーク-ニュートリノ相互作用に対して、どの過程が最も感受性の高いプローブを提供するか？
• RQ2 CE$\nu$NSおよびメソンの非可視崩壊は、LNEFTにおける次元6オペレーターのウィルスン係数をどのように制約するか？
• RQ3 SMNEFTにおいて1つの主要なウィルスン係数を仮定した場合、新物理スケールにどのような制約が得られるか？
• RQ4 ストレートニュートリノを含む状況下で、レプトン数保存および非保存のオペレーターは制約にどのように寄与するか？
• RQ5 さまざまなクォーク-ニュートリノ相互作用の成分に対して、メソン非可視崩壊とCE$\nu$NSの相対的な感受性はどのようになるか？

主な発見

• メソンの非可視崩壊は、1つまたは2つのアクティブニュートリノを含むクォーク-ニュートリノ相互作用における$\tau$ニュートリノフラバー成分および$s$クォーク成分に対して、唯一の感受性の高いプローブである。
• COHERENT実験からのCE$\nu$NSプロセスは、LNEFTフレームワークにおける他のすべてのウィルスン係数に対して、最もきつい制約を与える。
• 1つの主要なウィルスン係数を仮定し、ストレートニュートリノ質量を無視した場合、LNEFTにおける電磁モーメントオペレーターに対して、新物理スケールの最もきつい制限は2.7–10 TeVである。
• LNEFTにおけるニュートリノ-クォークオペレーターに対しては、最もきつい制限により新物理スケールが0.5–1.5 TeVとなる。
• アクティブニュートリノ場を含まないオペレーターに対しても制約が得られており、このような場合の主なプローブはメソンの非可視崩壊である。
• 本分析により、メソン崩壊がCE$\nu$NSでは探査されない特定のフラバーおよびクォーク成分に対して、特異に感受性を示すことが明らかになった。これは、メソン崩壊がストレートニュートリノ探索において補完的役割を果たすことを示している。