[論文レビュー] Heavy neutral leptons below the kaon mass at hodoscopic detectors

C. Argüelles, N. Foppiani+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、ハドスコピックニュートリノ検出器、特にT2KおよびMicroBooNEでの飛行中崩壊（DIF）探索を用いて、中間ニュートリノ質量未満の重い中性レプトン（HNL）に対する制約を再評価する。本研究では、ミニブーNe（MiniBooNE）の過剰を説明するための電磁的崩壊（例えば、遷移磁気モーメントやレプチルフィル的アキソン様ポータルを介して）を目的としたモデルが、現在の実験的制約によって除外されることを示している。

ABSTRACT

Heavy neutral leptons ($N$) below the kaon mass are severely constrained by cosmology and lab-based searches for their decays in flight. If $N$ interacts via an additional force, $N oνe^+e^-$ decays are enhanced and cosmological limits can be avoided. We show that the T2K and MicroBooNE neutrino experiments provide the best limits on the mixing of $N$ with muon-neutrinos, outperforming past-generation experiments, previously thought to dominate. We constrain models with electromagnetically-decaying and long-lived $N$, such as in a transition-magnetic-moment portal and in a leptophilic axion-like particle portal, invoked to explain the MiniBooNE excess. By considering these models as representative examples, our results show that explanations of the MiniBooNE excess that involve $e^+e^-$ pairs from long-lived particles are in tension with T2K, PS191, and MicroBooNE data. Similarly, these searches also constrain MiniBooNE explanations based on single photons due to the associated $e^+e^-$ decay mode via a virtual photon.

研究の動機と目的

• 中間ニュートリノ質量未満の重い中性レプトン（HNL）に対する実験的制約を、飛行中崩壊（DIF）シグネチャを用いて再評価すること。
• 特にT2K、MicroBooNE、およびPS191が、追加の相互作用を介してe+e−に崩壊するHNLに対してどれほど感度を持つかを評価すること。
• ミニブーNeの過剰を、長寿命のHNLがe+e−に崩壊することで説明するモデルが、現在の実験的制約のもとで妥当であるかどうかを検証すること。
• T2KおよびMicroBooNEの既存データを再解釈し、増強された崩壊幅を持つモデルにおけるmuonニュートリノとのHNL混合に関する、改善された限界を導出すること。

提案手法

• 精密なトラッキングと粒子識別を活用して、HNLのe+e−への崩壊を特定する、ハドスコピック検出器における飛行中崩壊（DIF）シグネチャを用いる。
• 主にmuonニュートリノと混合するディラック型HNLを想定した最小 seesaw モデルを適用し、中性荷電現在の相互作用を介したN → νμe+e−の過程に注目する。
• 中間ニュートリノ質量未満のHNL質量領域において、T2KおよびMicroBooNEのデータを再解釈し、従来の限界が未だに不足していた領域にまで拡張する。
• 拡張された3つのモデル（遷移磁気モーメント（TMM）、フェルミオン4次元相互作用、レプチルフィル的アキソン様粒子（ℓALP）ポータル）を検討し、増強された崩壊幅をモデル化する。
• GitHub上で公開されたコードを用いて、HNLの崩壊および検出器応答のモンテカルロシミュレーションを実施する。
• PS191の限界を再検討・再キャリブレーションし、誤ったバックグラウンドモデリングによる過大評価が行われていたことが判明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 T2KおよびMicroBooNEは、中間ニュートリノ質量未満のHNLに対して、以前の実験を上回るmuonニュートリノとの混合に関する実験的制約を提供できるか？
• RQ2 追加の相互作用（例：TMMやℓALPポータル）を介してe+e−に崩壊するHNLは、宇宙論的制約を回避しつつ、ビームダンプ実験で検出可能である可能性はどの程度か？
• RQ3 ミニブーNeの過剰を、長寿命のHNLがe+e−に崩壊することで説明するモデルは、現在のT2K、MicroBooNE、およびPS191のDIFデータと整合性を保っているか？
• RQ4 新しい力がもたらす増強された崩壊幅は、ハドスコピックニュートリノ検出器におけるHNLの検出可能性にどのように影響を与え、混合パラメータの限界にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 中間ニュートリノ質量未満のHNLに対して、T2Kがmuonニュートリノとの混合に関する最も強い実験的制約を提供している。
• MicroBooNEのデータは、100–400 MeVの質量領域におけるHNLをさらに制約しており、特にe+e−崩壊モードが強化されたモデルに対して顕著である。
• PS191の限界は以前に過大評価されていた。再キャリブレーションにより、関連する質量領域ではT2KおよびMicroBooNEに比べてきびしい制約ではないことが判明した。
• TMMまたはℓALPポータルを介してHNLがe+e−に崩壊することでミニブーNeの過剰を説明するモデルは、T2K、PS191、およびMicroBooNEのデータによって除外されている。
• 仮想光子を介した単一光子崩壊を持つモデルですら、関連するe+e−崩壊モードがあるため制約を受けており、ミニブーNe過剰の妥当な説明は限定されている。
• 本研究では、HNLの崩壊をシミュレートし、DIF限界を導出するための公開コードベースを提供しており、今後のニュートリノ検出器データの再解釈を可能にする。