[論文レビュー] Neutrino oscillations and Non-Standard Interactions

Yasaman Farzan, M. Tórtola|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2017

Neutrino Physics Research参考文献 225被引用数 22

ひとこと要約

本稿は、質量 ≲10 MeV の軽い $U(1)'$ ゲージボソンによって媒介される中性流非標準相互作用（NSI）が存在する状況におけるニュートリノ振動をレビューする。電弱対称性を保つUV完全なモデルを提示し、既存の実験的制約を回避する。NSIがニュートリノパラメータの高精度測定を歪める仕組みを示し、CP位相、質量順序、$\theta_{23}$ の八分儀の決定におけるデゲネラシーを解消する手法を提案する。

ABSTRACT

Current neutrino experiments measure the neutrino mixing parameters with an unprecedented accuracy. The upcoming generation of experiments will be sensitive to subdominant effects that can give information on the unknown neutrino parameters: the Dirac CP-violating phase, the mass ordering and the $θ_{23}$ octant. Determining the exact values of neutrino mass and mixing parameters is crucial to test neutrino models and flavor symmetries. In the first part of this review, we summarize the current status of neutrino oscillation parameters. We consider the most recent data from solar experiments and the atmospheric data from Super-Kamiokande, IceCube and ANTARES. We implement the data from the reactor experiments KamLAND, Daya Bay, RENO and Double Chooz as well as the long baseline data from MINOS, T2K and NOvA. If in addition to the standard interactions, neutrinos have subdominant Non-Standard Interactions (NSI) with matter, extracting the values of these parameters will suffer from new degeneracies. We review such effects and formulate the conditions on the NSI parameters under which the precision measurement of neutrino oscillation parameters can be distorted. Like standard weak interactions, NSI can be categorized into Charged and Neutral Current NSI. Our focus will be on NC NSI since it is possible to build a class of models giving rise to sizeable NC NSI with effects on neutrino oscillations. These models are based on new $U(1)$ gauge symmetry with a boson of mass $\lesssim 10$ MeV. The UV complete model should be electroweak invariant which implies that along with neutrinos, charged fermions acquire new interactions on which there are strong bounds. We enumerate the bounds that exist on such models and show that it is possible to build viable models avoiding all the bounds. We review methods to test these models and suggest approaches to break the degeneracies caused by NSI.

研究の動機と目的

• 非標準的相互作用（NSI）がニュートリノ混合パラメータの高精度決定に与える影響を評価すること。
• サイズの大きな中性流NSIを引き起こすが、電弱対称性を保つ軽い $U(1)'$ ゲージボソンを伴う物理的に妥当なUV完全モデルを構築すること。
• 低エネルギーでのニュートリノ散乱と高エネルギー宇宙ニュートリノスペクトルを用いて、このようなNSIモデルの実験的制約と検証可能なシグネチャを同定すること。
• NSIによって引き起こされるデゲネラシー（特にCP破壞位相、質量順序、$\theta_{23}$ の八分儀）を解消する戦略を提案すること。

提案手法

• NSIを荷電流（CC）と中性流（NC）に分類し、大きな効果を示す可能性があるNC-NSIに焦点を当てる。
• $Z^\prime$ ボソン質量が $\lesssim 10$ MeV である $U(1)'$ ゲージモデルを構築し、フェルミオンに $U(1)'$ チャージを割り当てることで電弱対称性を保ち、フレーバー変換を引き起こす制約を回避する。
• 2つのシナリオを実装する：(i) SMのレプトンおよびクォークへの直接 $U(1)'$ カップリング（バナジウム数に類似したユニバーサルチャージ割り当てを含む）、(ii) 新しいディラックフェルミオン $\Psi$ またはステアーリングニュートリノ $N$ との混合による間接的カップリング。
• 低エネルギーでのニュートリノ伝播におけるNSI効果を記述する有効な四フェルミ相互作用ラグランジアンを用いる。これは $q^2 \ll m_{Z'}^2$ のとき有効であり、原子炉および大気ニュートリノ実験に適用可能。
• 高エネルギー実験（例：NuTeV, CHARM）からの制約を分析し、$q^2$ が大きいとNSI効果が抑制されることを示し、COHERENT や CONUS などの低エネルギー実験がより感受性が高いことを示す。
• 高エネルギー宇宙ニュートリノスペクトルにおけるエネルギー分布の歪みを用いてモデルをテストすることを提案し、特に300 TeV付近にドリップ（谷）が現れることを示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軽い $Z^\prime$ ボソンによって媒介される非標準的中性流相互作用は、ニュートリノ振動パラメータの高精度測定にどのように影響を与えるか？
• RQ2 既存の電弱およびフレーバー制約を回避しつつ、観測可能なNSI効果を生む物理的に妥当なUV完全 $U(1)'$ モデルを構築できるか？
• RQ3 このようなNSIモデルの実験的シグネチャは何か？ 低エネルギーおよび高エネルギーのニュートリノ実験で標準模型とどのように区別できるか？
• RQ4 NSIは、CP破壞位相、ニュートリノ質量順序、$\theta_{23}$ の八分儀の決定において、どの程度デゲネラシーを引き起こすか？
• RQ5 COHERENTおよびCONUS実験は、数MeVエネルギーでのコherentニュートリノ-核子散乱を用いて、提案されたNSIモデルを検証できるか？

主な発見

• $a_e = 0$, $a_\mu = a_\tau = -3/2$ およびカップリング $4 \times 10^{-5}(m_{Z'}/10~{\rm MeV})$ を持つ妥当な $U(1)'$ モデルは、$\epsilon_{\mu\mu} - \epsilon_{ee} = \epsilon_{\tau\tau} - \epsilon_{ee} = -0.3$ を満たし、太陽ニュートリノの最良適合データを再現する。
• $U(1)'$ に charges を持つ新しいディラックフェルミオン $\Psi$ がニュートリノと混合することで、木レベルの荷電レプトンカップリングが不要となり、強い制約を回避できる。
• 有効な四フェルミ相互作用によるNSI記述は、低エネルギーでのニュートリノ散乱（例：COHERENT）では $q^2 \ll m_{Z'}^2$ の条件下で有効であるが、NuTeV などの高 $q^2$ 実験では成立しない。
• 高エネルギー宇宙ニュートリノスペクトルには、$Z^\prime$ を介した共鳴散乱により300 TeV付近にドリップが現れ、検証可能なシグネチャとなる可能性がある。
• COHERENT および近い将来の CONUS 実験は、数MeVエネルギーでのコherentニュートリノ-核子散乱を用いて、提案されたNSIモデルを調べるのに最適な実験である。
• CP位相、質量順序、$\theta_{23}$ の八分儀の決定におけるデゲネラシーは、ニュートリノデータへのグローバルフィットにNSI効果を組み込むことで解消できる。