[論文レビュー] Nonstandard Neutrino Interactions can explain the XENON1T spectral excess

Amir N. Khan|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2020

Neutrino Physics Research被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、非標準的ニュートリノ相互作用—具体的にはニュートリノ磁気モーメント、電荷半径、ミリチャージ、および軽いベクトル／スカラー媒介粒子—がXENON1Tの電子反跳スペクトル過剰を説明できると提案している。実験的制約のもとで、(2–4)×10⁻¹¹ μBの磁気モーメント、(1.7–2.3)×10⁻¹²eのミリチャージ、質量が10–100 keVで結合定数が約5×10⁻⁷のベクトル媒介粒子が、データに最もよく適合することが判明した。

ABSTRACT

We perform a constrained spectral fit analysis of the excess observed in the recoiled electron energy spectrum by XENON1T with neutrino magnetic moment, charge radius, neutrino millicharge and new light vector and scalar mediators. Within limits allowed by other laboratory experiments we find that the excess can be explained in the range$ (2-4) imes 10^{-11}\mu _{B} for the magnetic moment,$ (2-6) imes 10^{-31}$cm$^{2}$ for the charge radius, $ (1.7-2.3) imes 10^{-12}e$ for the millicharge and $(10-100) $keV masses of light mediators with couplings of 5 imes 10^{-7}$ for vector/axial-vector, $1.2 imes 10^{-6}$ and $4 imes 10^{-6}$ for scalar and pseudo-scalar mediators, respectively. Among all, neutrino millicharge, magnetic moment and vector mediators fit better to the observed spectrum. We also derive constraints on all new physics parameters considered here.

研究の動機と目的

• XENON1T実験で観測された未解明の電子反跳スペクトル過剰を、非標準的ニュートリノ相互作用が説明可能かどうかを調査すること。
• ニュートリノ磁気モーメント、電荷半径、ミリチャージ、および軽いベクトル・スカラー媒介粒子の結合定数といった新しい物理のパラメータを制約すること。
• 既存の実験的制限のもとで、観測されたエネルギースペクトルを最もよく再現する新しい物理モデルを特定すること。
• XENON1Tデータに基づいて、すべての検討された新しい物理のパラメータに対する強固な制約を導出すること。

提案手法

• 非標準的ニュートリノ相互作用の理論的モデルを用いて、XENON1Tの電子反跳エネルギースペクトルに対する制約付きスペクトルフィットを実施する。
• 他の実験からの実験的制限を組み込み、ニュートリノ磁気モーメント、電荷半径、ミリチャージの妥当なパラメータ空間を制限する。
• 質量が10–100 keVの範囲にあり、結合定数が異なるベクトル、軸性ベクトル、スカラー、擬スカラー媒介粒子のフィットの良さを評価する。
• 尤度に基づく解析を用いて、モデル予測をXENON1Tで観測されたスペクトルと比較し、最適なパラメータを導出する。
• ベイズ推論技術を用いて不確実性を定量化し、新しい物理の結合定数の上限を導出する。
• 異なる相互作用タイプ（例：ミリチャージ対磁気モーメント）のフィット品質を比較し、最適なモデルを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気モーメントやミリチャージなどの非標準的ニュートリノ相互作用が、1–7 keVの反跳エネルギー範囲におけるXENON1Tのスペクトル過剰を説明できるか？
• RQ2 ニュートリノ磁気モーメント、電荷半径、ミリチャージ、または軽い媒介粒子といった新しい物理モデルの中で、観測されたXENON1Tスペクトルに最もよく適合するのはどれか？
• RQ3 XENON1Tの過剰と他の実験的制限の両方に整合する結合定数と媒介粒子質量の許容範囲は何か？
• RQ4 ニュートリノ磁気モーメント、電荷半径、ミリチャージの制約は、既存の実験的限界とどのように比較できるか？
• RQ5 異なる新しい物理モデルにおける予測信号形状は何か？ そして、それらは観測されたスペクトル形状とどの程度一致するか？

主な発見

• 2–4)×10⁻¹¹ μBの範囲のニュートリノ磁気モーメントが、XENON1Tのスペクトル過剰に対して良好なフィットを示した。
• 2–6)×10⁻³¹ cm²のニュートリノ電荷半径も、実験的制限の範囲内で観測スペクトルと整合的であった。
• 1.7–2.3)×10⁻¹²eのミリチャージは、妥当な説明であり、データと強い相性を示した。
• 質量が10–100 keVで結合定数が約5×10⁻⁷の軽いベクトル／軸性ベクトル媒介粒子が、スペクトル形状を最もよく再現した。
• 結合定数が1.2×10⁻⁶および4×10⁻⁶であるスカラーおよび擬スカラー媒介粒子もデータにフィットしたが、ベクトル媒介粒子ほど効果的ではなかった。
• すべてのモデルの中で、ニュートリノミリチャージ、磁気モーメント、およびベクトル媒介粒子がXENON1Tスペクトルと最も一致した。