[論文レビュー] Neutrino Electromagnetic Properties and the Weak Mixing Angle at the LHC Forward Physics Facility

Roshan Mammen Abraham, Saeid Foroughi-Abari+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、LHCフォワード・フィジックス・フェイサリティ（FPF）が、陽子-陽子衝突から生じる高エネルギーのフォワードニュートリノを用いて、ニュートリノの電磁的性質（ミリ電荷、磁気モーメント、電荷半径）を調べられることを提案している。低反動電子散乱および中性荷電型深エネルギー散乱（DIS）事象を分析することで、FPFは電子ニュートリノの電荷半径について世界で最も感受性の高い限界を設定でき、タウニュートリノの磁気モーメントについてDONUTの限界を上回る精度を達成する。また、Q ~ 10 GeVにおける弱混合角の3%の精度での測定が可能となる。

ABSTRACT

The LHC produces an intense beam of highly energetic neutrinos of all three flavors in the forward direction, and the Forward Physics Facility (FPF) has been proposed to house a suite of experiments taking advantage of this opportunity. In this study, we investigate the FPF's potential to probe the neutrino electromagnetic properties, including neutrino millicharge, magnetic moment, and charge radius. We find that, due to the large flux of tau neutrinos at the LHC, the FPF detectors will be able to provide more sensitive constraints on the tau neutrino magnetic moment and millicharge than previous measurements at DONUT, by searching for excess in low recoil energy electron scattering events. We also find that, by precisely measuring the rate of neutral current deep inelastic scattering events, the FPF detectors have the potential to obtain the strongest experimental bounds on the neutrino charge radius for the electron neutrino, and one of the leading bounds for the muon neutrino flavor. The same signature could also be used to measure the weak mixing angle, and we estimate that $\sin^2 θ_W$ could be measured to about $3\%$ precision at a scale $Q \sim 10$ GeV, shedding new light on the longstanding NuTeV anomaly.

研究の動機と目的

• LHCフォワード・フィジックス・フェイサリティ（FPF）がミリ電荷、磁気モーメント、電荷半径といったニュートリノの電磁的性質をどれだけ探査できるかを評価すること。
• FPFが、これまでの実験的限界を改善できるかどうか、特に制限が乏しいタウニュートリノに関して評価すること。
• FPFが弱混合角を高い精度で測定できる能力を検討し、長年のNuTeVの異常を解消する手がかりとなるかを検討すること。
• FPFの検出器が低反動電子散乱および中性荷電型深エネルギー散乱（DIS）事象に対してどれほど感受性を示すかを評価し、ニュートリノの性質を調べる手がかりとする。
• 将来のFPFデータを有効ニュートリノ電磁的結合および電弱パラメータの観点から解釈するための現象論的フレームワークを提供すること。

提案手法

• LHCにおける陽子-陽子衝突から生じるTeVスケールのニュートリノの高いフォワードフラックス（主に中間子の崩壊から生じる）を用いる。
• 低反動電子散乱事象を分析してニュートリノ磁気モーメントおよびミリ電荷を調べ、タウニュートリノに対する感受性の向上を活用する。
• 中性荷電型深エネルギー散乱（DIS）事象を検討し、ニュートリノ電荷半径の制約を抽出するとともに、弱混合角を測定する。
• 有効場理論（EFT）形式を用いて、ミリ電荷は次元6の演算子、磁気モーメントは次元5の演算子、電荷半径は次元6の演算子でニュートリノ電磁相互作用をモデル化する。
• 実際の光度およびバックグラウンド除去を想定し、FPF検出器の検出器応答モデルを用いたモンテカルロシミュレーションおよび感受性推定を実施する。
• 測定されたDIS事象率を、運動量スケールQ ~ 10 GeVにおける弱混合角sin²θWの高精度限界に変換する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FPFは、特に実験的制限が乏しいタウニュートリノに関して、ニュートリノ電磁的性質に対して競争力のある感受性を達成できるか？
• RQ2 FPFにおける電子ニュートリノ電荷半径の予想される限界は何か？ また、これは標準模型の予測と比較してどうなるか？
• RQ3 DONUTと比較して、FPFはタウニュートリノ磁気モーメントおよびミリ電荷の限界をどの程度改善できるか？
• RQ4 FPFはQ ~ 10 GeVにおいて弱混合角sin²θWを約3%の精度で測定できるか？ そして、これによりNuTeVの異常を解消する手がかりが得られるか？
• RQ5 FPFが中性荷電型DIS事象をどれほど探査できるかが、ミュオンおよび電子ニュートリノの電荷半径の制約にどのように反映されるか？

主な発見

• FPFは、電子ニュートリノ電荷半径について、世界で最も強い実験的限界を設定でき、標準模型の予測に非常に近い感受性を達成する。
• ミュオンニュートリノに関しては、電荷半径についての限界が、標準模型の値の数倍の範囲で、世界で最も高い水準に達する。
• タウニュートリノ磁気モーメントに関しては、DONUT実験と比較して感受性が1桁向上する。
• タウニュートリノミリ電荷および電荷半径について、FPFは初めて競争力のある限界を設定する。これらは従来、制限がなかった。
• FPFは、Q ~ 10 GeVにおいて弱混合角sin²θWを約3%の精度で測定可能であり、NuTeVの異常を解消する可能性を秘めている。
• FPFにおける中性荷電型DIS事象率は、高精度で電弱パラメータを抽出する手段として利用可能であり、TeVスケール領域における弱混合角の新たなプローブを可能にする。