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

Yugen Lin, Yu Gao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、ニュートリノと電子間のレプトン数破れを伴う非標準的相互作用（NSI）を媒介する軽いスカラーメディエーターを有する、標準模型の $U(1)_{B-L}$ 拡張を提案する。これらのNSIは太陽ニュートリノ散乱による低エネルギー電子反動率を増幅し、XENON1T、PANDAX、XENONnTのデータからの制約により、$\sqrt{y'_{\nu}y_e} < 0.5 \times 10^{-6}$ が得られ、このような結合に対する最もきつい制約である。

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 enables non-standard interaction that violates the lepton number. We show that the non-standard neutrino interaction emerges in this model, and it can lead to low energy recoil events with the solar neutrino flux. Analyses are performed with the keV range electron recoil events at recent direct detection experiments, including XENON1T, PANDAX and XENONnT. Recent direct detection observations lead to upper bound on the combined coupling strength to electron and neutrino to $\sqrt{y'_νy_e} &lt; 0.5 imes 10^{-6}$.

研究の動機と目的

• 直接検出実験における最近のkeVスケールの電子反動事象を、非標準的ニュートリノ-電子相互作用によって説明すること。
• 対称性の破れ後にタイプIのスイープ機構を介して軽いニュートリノ質量を生成する $U(1)_{B-L}$ 拡張モデルを構築すること。
• ニュートリノと電子間のレプトン数破れ相互作用を媒介する軽いスカラーメディエーターを同定すること。
• XENON1T、PANDAX、XENONnTのデータを用いて、有効結合 $\sqrt{y'_{\nu}y_e}$ の制約を導出し、検証すること。
• 特に星の冷却および原子炉ニュートリノ実験からの既存の制約と、モデルの整合性を評価すること。

提案手法

• 標準模型に $SU(3)_C \times SU(2)_L \times U(1)_Y \times U(1)_{B-L}$ ゲージ対称性を追加し、三重項 $\Phi$、二重項 $H, H'$、および単項 $S, T$ を含む新しいスカラー場を導入する。
• $U(1)_{B-L}$ および電弱対称性の破れの後、軽いスカラー $s_1$ がメディエーターとして出現し、重い右巻きニュートリノおよび他の新しい場を介して $\overline{\nu^c}\nu$ および $\overline{e}e$ に結合する。
• 有効相互作用 $\mathcal{L}_{\text{int}} \sim y'_{\nu} s_1 \overline{\nu^c}\nu + y_e s_1 \overline{e}e$ が、レプトン数破れを伴う $\nu e \to \nu^c e$ 散乱を誘導する。
• 相対論的場の理論を用いて電子反動の微分断面積を導出し、軽いメディエーター近似下で $d\sigma/dE_k \propto y'^2 y_e^2 E_k M_e (E_k + 2M_e) / (M_s^2 + 2M_e E_k)^2$ を得る。
• 太陽ニュートリノの散乱に対する反動スペクトルを計算し、標準模型のバックグラウンドと比較し、XENON1T、PANDAX、XENONnTのデータにフィットさせて、結合 $\sqrt{y'_{\nu}y_e}$ の制約を導出する。
• 星の冷却および原子炉ニュートリノ実験からの宇宙物理学的制約を評価し、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軽いスカラーメディエーターを有する $U(1)_{B-L}$ モデルは、keVスケール直接検出実験で観測可能な電子反動事象を生成できるか？
• RQ2 XENON1T、PANDAX、XENONnTのデータから、有効結合 $\sqrt{y'_{\nu}y_e}$ に対する制約は何か？
• RQ3 軽いスカラーメディエーターを介する非標準的相互作用 $\nu e \to \nu^c e$ は、低エネルギー電子反動スペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ4 モデルは、星の冷却および原子炉ニュートリノ実験からの既存の制約と整合性を有しているか？
• RQ5 観測された低エネルギー電子反動事象の過剰は、このレプトン数破れNSI機構によって説明可能か？

主な発見

• XENONnTのデータは、有効結合に対してこれまでで最もきつい制約をもたらし、$\sqrt{y'_{\nu}y_e} < 0.5 \times 10^{-6}$ を得た。
• XENON1Tのデータは、$5.8 \times 10^{-7} < \sqrt{y'_{\nu}y_e} < 1.1 \times 10^{-6}$ の結合範囲を好むが、太陽ニュートリノ測定と整合的である。
• PANDAXのデータは $\sqrt{y'_{\nu}y_e} < 1.4 \times 10^{-6}$ を制約し、原子炉ニュートリノ実験からの制限に近い。
• NSIによって誘導される反動スペクトルは低エネルギー領域に向かって上昇し、低 $E_k$ バインに感度が高まり、きびしい制約が可能になる。
• モデルの $y_e$ 結合は星の冷却制約によって強く制限され、生存可能性を保つためにはより複雑なメディエーター構造が必要となる。
• レプトン数破れNSIを介する軽いスカラーメディエーターが、$\nu e \to \nu^c e$ 散乱を介してkeVスケールの電子反動を誘導する有効なメカニズムを提供する。