[論文レビュー] New constraints on neutrino electric millicharge from elastic neutrino-electron scattering and coherent elastic neutrino-nucleus scattering

A. Parada|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2019

Neutrino Physics Research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、反応炉ニュートリノの電気的ミリチャージ（NEM）に関する制約を、弾性ニュートリノ-電子散乱（ENES）のデータを分析し、将来の共鳴的弾性ニュートリノ-核子散乱（CENNS）実験の感度を予測することで向上させた。ENESから90%信頼水準の上限は $-1.1 \times 10^{-12}e < q_u < 9.3 \times 10^{-13}e$、CENNSから $-1.8 \times 10^{-14}e < q_u < 1.8 \times 10^{-14}e$ であり、組み合わせたデータや将来のCENNSデータは個々の分析よりもはるかに強い制約を与えることが示された。

ABSTRACT

In several extensions of the Standard Model of Particle Physics (SMPP), the neutrinos acquire electromagnetic properties such as the electric millicharge. Theoretical and experimental bounds have been reported in the literature for this parameter. In this work, we first carried out a statistical analysis by using data from reactor neutrino experiments, which include elastic neutrino-electron scattering (ENES) processes, in order to obtain both individual and combined limits on the neutrino electric millicharge (NEM). Then we performed a similar calculation to show a estimate of the sensitivity of future experiments of reactor neutrinos to the NEM, by involving coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CENNS). In the first case, the constraints achieved from the combination of several experiments are $-1.1 imes 10^{-12}e < q_{ u} < 9.3 imes 10^{-13}e$ ($90\%$ C.L.), and in the second scenario we obtained the bounds $-1.8 imes 10^{-14}e < q_{ u} < 1.8 imes 10^{-14}e$ ($90\%$ C.L.). As we will show here, these combined analyses of different experimental data can lead to stronger constraints than those based on individual analysis. Where CENNS interactions would stand out as an important alternative to improve the current limits on NEM.

研究の動機と目的

• 反応炉ニュートリノのデータを用いて、ニュートリノ電気的ミリチャージ（NEM）の既存実験的制約を改善すること。
• 共鳴的弾性ニュートリノ-核子散乱（CENNS）を介して、将来の反応炉ニュートリノ実験のNEMに対する感度を評価すること。
• ENESとCENNSからの制約の強さを比較し、複数の実験データセットを統合する利点を評価すること。
• CENNS反応がENES単体よりもNEMをより感度よく探査できることを示すこと。

提案手法

• 弾性ニュートリノ-電子散乱（ENES）過程を含む、既存の反応炉ニュートリノデータの統計的分析。
• 複数のENES実験の結果を組み合わせ、ニュートリノ電気的ミリチャージ（NEM）に対する共同制約を導出すること。
• 反応炉ニュートリノ実験における共鳴的弾性ニュートリノ-核子散乱（CENNS）反応を用いた、将来の感度の予測。
• 90%信頼水準（C.L.）における頻度主義的統計的手法を適用し、NEMの上限および下限を導出すること。
• 標準模型の拡張理論が非ゼロのニュートリノミリチャージを予測する理論的期待値の組み込み。
• ENESとCENNSからの制約を比較し、相対的な感度と改善の可能性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反応炉ニュートリノのENESデータから導かれるニュートリノ電気的ミリチャージ（NEM）の現在の実験的制限は何か？
• RQ2 複数のENES実験の統合的分析は、個々の研究と比較してNEMの制約をどのように改善するか？
• RQ3 将来の反応炉ニュートリノ実験は、共鳴的弾性ニュートリノ-核子散乱（CENNS）を用いてNEMに対してどの程度の感度を達成できるか？
• RQ4 CENNSの感度は、NEMを探査するうえでENESに比べてどのように異なるか？
• RQ5 CENNSは、NEMのより厳しい制約を設定するための実用的でより強力な代替手段として機能できるか？

主な発見

• 複数の反応炉ニュートリノENES実験の統合的分析により、ニュートリノ電気的ミリチャージに対する90%信頼水準の制約が $-1.1 \times 10^{-12}e < q_u < 9.3 \times 10^{-13}e$ に導かれた。
• 将来のCENNS実験からの予測感度により、90%信頼水準で $-1.8 \times 10^{-14}e < q_u < 1.8 \times 10^{-14}e$ まで制限が改善された。
• CENNSに基づく制約は、ENESに基づく制約のおよそ10倍厳しく、より優れた感度を示している。
• ENESデータの統合的分析は、個々の実験よりも強い制約をもたらし、データ統合の価値を強調している。
• CENNS反応が、将来の実験においてニュートリノ電気的ミリチャージのより厳しい制約を設定する有望で強力な代替手段であることが示された。
• 結果から、CENNSを活用する将来の反応炉ニュートリノ実験は、標準模型を超える新しい物理の探査を顕著に前進させ得ることが示唆された。