[論文レビュー] Neutrino Flavor Transformations from New Short-Range Forces

B. J. P. Jones, J. Spitz|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2019

Neutrino Physics Research参考文献 24被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、新しい軽いボソンによって媒介されるニュートリノ間の非ユニバーサルな短距離力が、ミューオンの停止崩壊（DAR）源におけるフレーバー変換位相を引き起こす可能性を提唱している。DAR源ではニュートリノと反ニュートリノの両方が生成されるが、この位相は観測可能な $\bar{\nu}_\mu$ から $\bar{\nu}_e$-に似た状態への変換を引き起こし、ステアリングニュートリノを必要とせずLSND異常を説明する有効なメカニズムを提供する。将来のDAR実験、例えばJSNS 2やOscSNSは、この効果を高い感度で検証可能である。

ABSTRACT

We examine the commonly explored beyond-standard-model physics scenario of secret neutrino forces, and point out a model prediction that appears to have been overlooked: the generation of unique flavor-changing effects in experiments featuring decay-at-rest (DAR) neutrino sources. These flavor changes occur because the decay that drives neutrino and antineutrino production, $μ^{+} ightarrow e^+ +\barν_μ+ν_{e}$, is unique in producing two neutrinos in the final state. Any non-flavor-universal force between the emerging neutrinos would thus induce a new oscillation phase as they escape from each-other's potential wells, an effect which is largely absent in experiments that primarily rely on meson decay-in-flight and nuclear decay. We calculate the magnitude of the associated observable and compare it to the anomalous neutrino flavor transformation seen by the LSND experiment, finding a wide but constrained allowed parameter space. We also evaluate existing limits from other experiments, and the testability of this new effect at the future DAR programs JSNS$^2$ and OscSNS.

研究の動機と目的

• ミューオンの停止崩壊（DAR）源におけるニュートリノ間の非ユニバーサルな短距離力によって生じる見過ごされがちなフレーバー変換効果を調査すること。
• ステアリングニュートリノ仮説を避けるが、他の振動実験と整合性を保つメカニズムを提示することで、LSND異常を解消すること。
• 将来のDAR実験（例：JSNS 2 や OscSNS）におけるこのメカニズムの検証可能性を評価すること。
• LSND信号を再現しつつ、既存の実験制約を回避できるニュートリノ力のパラメータ空間を定量化すること。
• このメカニズムが、ステアリングニュートリノを含む他の標準模型を越えたLSND異常説明とどのように区別できるかを明らかにすること。

提案手法

• ミューオン崩壊から生成されるニュートリノと反ニュートリノの間の有効ポテンシャルを、質量を持つ媒介粒子を伴うヤコビ型相互作用としてモデル化する。
• 非ユニバーサルな結合定数によるエネルギー差の積分から、ニュートリノ伝播における誘導位相シフトを計算する。
• 標準的なニュートリノ振動位相式 $\theta_{ij} \triangleq \frac{\Delta m_{ij}^2 L}{2E}$ を、力に起因するエネルギーシフトを含む形に拡張する。
• 不完全ガンマ関数を用いて、新しい力の有限範囲に起因する位相シフトのスケールをモデル化する。
• JSNS 2 および OscSNS の信号およびバックグラウンドスペクトルをシミュレートし、内在的な $\bar{\nu}_e$ 汚染をネイジスパラメータとして扱う。
• プロファイル対数尤度法を用いた感度解析により、LSND異常領域における除外能力を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミューオンの停止崩壊源で生成されるニュートリノ間の非ユニバーサルな短距離力が、LSND異常を説明できる観測可能なフレーバー変換を引き起こす可能性はあるか？
• RQ2 相互作用するニュートリノと反ニュートリノのポテンシャルに起因するフレーバー変換位相は、DAR源と崩壊飛行源の両者において、標準的振動メカニズムとどのように異なるか？
• RQ3 LSND信号を再現しつつ、他の実験からの制約を回避できる媒介粒子の質量と結合定数の許容可能なパラメータ空間はどの程度か？
• RQ4 将来のDAR実験（例：JSNS 2 や OscSNS）が、この力媒介メカニズムとステアリングニュートリノ説明とをどの程度明確に区別できるか？
• RQ5 内在的な $\bar{\nu}_e$ バックグラウンドが、将来の実験におけるこの新しいフレーバー転送効果の検出可能性にどのように影響するか？

主な発見

• ミューオンの停止崩壊源で生成されるニュートリノ間の非ユニバーサルな短距離力は、$\bar{\nu}_\mu$ から $\bar{\nu}_e$-に似た状態へのフレーバー変換位相を誘導し、LSND異常の新たな説明を提供する。
• この効果は、放出された $\nu_e$ と $\bar{\nu}_\mu$ 組の空間的接近性に起因するため、DAR源に特有である。パイオンドレインや核崩壊源では同様の状況は存在しない。
• 中間子と $W$ ボソンの質量の間の媒介粒子質量と、結合定数が約 0.1 の場合、LSND信号を $\sim 0.26\%$ の振動確率で再現できるが、制限されたパラメータ空間が存在する。
• このパラメータ空間において、$\mu^+ \to e^+ \nu_e \bar{\nu}_\mu$、$\beta$ 衰変、$D$ メソン崩壊からの既存の制約は、不可視 $Z$ ブレース幅制約に比べて弱い。
• JSNS 2 および OscSNS は、結合定数と媒介粒子質量の広い範囲において、このメカニズムのLSND許容パラメータ空間を90%信頼水準以上で除外可能である。
• 変換された信号スペクトルは、エネルギー依存性の違いにより、内在的な $\bar{\nu}_e$ バックグラウンドと区別可能であり、適切なモデル化によりクリアな信号抽出が可能である。