[論文レビュー] Interpretation of the XENON1T excess in the model with decaying sterile neutrinos

V. V. Khruschov|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2020

Neutrino Physics Research参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、XENON1Tの1–7 keV範囲における電子反動過剰が、質量3.4 keVおよび7.6 keVの2つの真性ニュートリノの崩壊によって生じると提案している。これらの崩壊はダークボソンを生成し、その後電子と相互作用することで、エネルギースペクトルに約1.7 keV、3 keV、3.8 keVの3つの明確なピークが現れる。モデルは1.1 eVの安定な真性ニュートリノと光子との小さな運動的混合を仮定しており、XENON1Tの異常と短距離基準のニュートリノ異常を統一的に説明する。

ABSTRACT

The phenomenological model with three active and three sterile neutrinos is used for interpretation of the observed XENON1T excess of electronic recoil events in the 1 -- 7 keV energy region. Assuming two sterile neutrinos with appropriate mass values decay while the third sterile neutrino is stable it is possible to explain the observed energy spectrum of electronic recoil events. Moreover using this approach three peaks in the 1 -- 7 keV energy region are predicted. Dark bosons have to mix to only a small extent with photons which can be emitted in this region. The possible existence of the three light sterile neutrinos may have perceptible influence on some phenomena in neutrino physics, astrophysics and cosmology.

研究の動機と目的

• XENON1T実験が観測した1–7 keVエネルギー範囲における未解明の電子反動イベント過剰を説明すること。
• XENON1Tの過剰が、真性ニュートリノがダークボソンに崩壊し、その後電子と相互作用することによって生じるかどうかを調査すること。
• 2つの真性ニュートリノが崩壊し、1つが安定である(3+1+2)ニュートリノモデルの妥当性を検証すること。
• XENON1Tの異常、短距離基準のニュートリノ異常、および宇宙論的影響との関連を探索すること。

提案手法

• 3つの活性ニュートリノと3つの真性ニュートリノを含む(3+1+2)ニュートリノモデルを採用。そのうち2つの真性ニュートリノ（m₅ = 3.4 keV, m₆ = 7.6 keV）がダークボソンに崩壊する。
• 3番目の真性ニュートリノ（m₄ = 1.1 eV）が安定であり、ダークマター成分を支配すると仮定。
• ダークボソンと光子との小さな運動的混合を導入し、keV領域の検出可能な電磁的信号を可能にする。
• 真性ニュートリノの崩壊によって生成されたダークボソンと電子の散乱を、電子反動をモデル化。
• ニュートリノ混合を記述するため、Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata（PMNS）行列を用い、δCP = 1.2πの正のニュートリノ質量順序を仮定。
• 崩壊の運動学的性質とダークボソンの性質に基づき、電子反動エネルギースペクトルに1.7 keV、3 keV、3.8 keVの3つの明確なピークが予測される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XENON1Tの1–7 keV範囲における電子反動過剰は、真性ニュートリノがダークボソンに崩壊することによって説明可能か？
• RQ2 2つの崩壊する真性ニュートリノを含む(3+1+2)モデルでは、電子反動スペクトルにどの特定のエネルギーピークが予測されるか？
• RQ3 安定な1.1 eVの真性ニュートリノの導入は、ΔNeffやH₀の不一致に影響を及ぼすか？
• RQ4 このモデルは、LSND、原子炉、ガリウムの異常といった短距離基準のニュートリノ異常を同時に説明可能か？

主な発見

• モデルは、質量3.4 keVおよび7.6 keVの真性ニュートリノの崩壊に起因し、電子反動エネルギースペクトルに約1.7 keV、3 keV、3.8 keVの3つの明確なピークを予測する。
• 3.4 keVおよび7.6 keVの真性ニュートリノがダークボソンに崩壊し、その後弱い相互作用によって電子反動を生成するため、観測された過剰を説明できる。
• 安定な1.1 eVの真性ニュートリノ状態は、相対的粒子種の有効数（ΔNeff）に寄与し、宇宙論的制約やH₀の不一致に影響を及ぼす可能性がある。
• ダークボソンと光子の小さな運動的混合により、keV領域の検出可能な電磁的信号が可能となり、XENON1Tの感度と整合的である。
• 同じ真性ニュートリノセクターのおかげで、LSND、原子炉、ガリウムの異常を同時に説明可能なモデルである。
• PandaX-4T、LZ、XENONnTなどの今後の実験が、1–7 keV領域の予測されたスペクトルピークを検証可能である。