[論文レビュー] Lepton Number Violating Electron Recoils at XENON1T by the $U(1)_{B-L}$ Model with Non-Standard Interactions

Y. Gao, Tianjun Li|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2020

Neutrino Physics Research被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、$SU(3)_C \times SU(2)_L \times U(1)_Y \times U(1)_{B-L}$モデルを提案し、$U(1)_{B-L}$の破れがタイプIのスイープ機構を介してニュートリノ質量を生成し、軽い中間子を生じさせることで、標準的でないレプトン数破れ相互作用を引き起こす。これらの相互作用は、XENON1T実験で観測された過剰と整合するkeVエネルギー領域の電子反動を引き起こす。

ABSTRACT

We propose an $SU(3)_C imes SU(2)_L imes U(1)_{Y} imes U(1)_{B-L}$ model, in which the neutrino masses and mixings can be generated via Type-I seesaw mechanism after $U(1)_{B-L}$ breaking. A light mediator emerges and leads to non-standard interactions leptons which violate the lepton number. We show that these non-standard interactions leads to low energy recoil events that is consistent with the observed KeV range electron recoil excess at the XENON1T experiment. Observational bounds on the non-standard couplings are discussed.

研究の動機と目的

• XENON1T実験で観測された未解明のkeVスケールの電子反動過剰を説明すること。
• 非標準的相互作用によるレプトン数の破れが、この過剰を説明できるかどうかを調査すること。
• ニュートリノ質量をスイープ機構を介して生成する、見かけ上 renormalizable な$U(1)_{B-L}$拡張の標準模型を構築すること。
• モデルから生じる非標準的カップリングの観測的制約を導出すること。

提案手法

• 自発的$U(1)_{B-L}$対称性の破れを伴う$SU(3)_C \times SU(2)_L \times U(1)_Y \times U(1)_{B-L}$ゲージ群を仮定する。
• ニュートリノ質量生成のためのタイプIスイープ機構を実現するため、重い右手系ニュートリノを導入する。
• レプトン数を破る非標準的相互作用の媒介者として、軽い$Z'$に類似したゲージボソンを特定する。
• レプトンと軽い中間子の有効相互作用を導出し、それらがレプトン数破れを引き起こす電子反動を生じることを示す。
• これらの非標準的相互作用によって引き起こされるXENON1Tにおける微分反動率を計算する。
• 実験的制約を適用して、中間子の非標準的カップリングを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 keVスケールのXENON1Tの電子反動過剰は、$U(1)_{B-L}$モデルにおけるレプトン数破れ相互作用によって説明可能か？
• RQ2 $U(1)_{B-L}$対称性の破れがニュートリノ質量と軽い中間子の生成に与える影響は何か？
• RQ3 軽い$Z'$ボソンを介した非標準的相互作用は、低エネルギーの電子反動信号にどのように影響を与えるか？
• RQ4 XENON1Tデータから、非標準的カップリングの妥当なパラメータ空間の制約は何か？
• RQ5 観測された反動過剰は、スイープ機構で生成されるニュートリノ質量を含む$U(1)_{B-L}$モデルと整合的か？

主な発見

• モデルは$U(1)_{B-L}$対称性の破れ後にタイプIスイープ機構を介してニュートリノ質量を効果的に生成する。
• $U(1)_{B-L}$対称性の破れから生じる軽いゲージボソン（中間子）が、レプトン数破れを引き起こす相互作用を媒介する。
• これらの非標準的相互作用は、XENON1Tの過剰と一致するkeVエネルギー領域の電子反動事象を生成する。
• モデルの反動スペクトル予測は、実験的不確実性の範囲内で観測データと整合的である。
• 非標準的カップリングに関する観測的制約が導出され、モデルのパラメータ空間が制限される。
• このフレームワークは、新たな軽いダークマター候補を必要とせず、XENON1Tの異常を妥当に説明する。