[論文レビュー] Nuclear Structure Physics in Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering

N. Van Dessel, V. Pandey+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、SkE2スカイリム相互作用を用いて、$^{12}$C、$^{16}$O、$^{40}$Ar、$^{56}$Fe、$^{208}$Pbにおける coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CE$ü$NS) 戦術の精度を向上させるために、微視的ハートリー・フォック計算を用いて電荷および弱い核力形因子を評価する。電子散乱データとの比較を通じて予測値の妥当性を検証し、$^{40}$Arについて詳細な理論的推定値を提示する。また、形因子モデルの不確実性と、新物理探索へのその影響を強調する。

ABSTRACT

The prospects of extracting new physics signals in a coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CE$ u$NS) process are limited by the precision with which the underlying nuclear structure physics, embedded in the weak nuclear form factor, is known. We present microscopic nuclear structure physics calculations of charge and weak nuclear form factors and CE$ u$NS cross sections on $^{12}$C, $^{16}$O, $^{40}$Ar, $^{56}$Fe and $^{208}$Pb nuclei. We obtain the proton and neutron densities, and charge and weak form factors by solving Hartree-Fock equations with a Skyrme (SkE2) nuclear potential. We validate our approach by comparing $^{208}$Pb and $^{40}$Ar charge form factor predictions with elastic electron scattering data. In view of the worldwide interest in liquid-argon based neutrino and dark matter experiments, we pay special attention to the $^{40}$Ar nucleus and make predictions for the $^{40}$Ar weak form factor and the CE$ u$NS cross sections. Furthermore, we attempt to gauge the level of theoretical uncertainty pertaining to the description of the $^{40}$Ar form factor and CE$ u$NS cross sections by comparing relative differences between recent microscopic nuclear theory and widely-used phenomenological form factor predictions. Future precision measurements of CE$ u$NS will potentially help in constraining these nuclear structure details that will in turn improve prospects of extracting new physics.

研究の動機と目的

• coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CE$ü$NS) 実験に不可欠な弱い核力形因子の理論的精度を向上させること。
• CE$ü$NS断面積における核構造入力の不確実性が、新物理信号の抽出を制限するという限界を是正すること。
• 液体アルゴンニュートリノおよびダークマター検出器の主要標的である$^{40}$Arについて、ab initio核構造手法を用いて正確な予測を提供すること。
• 微視的ハートリー・フォック結果と広く用いられる擬似実験的形因子モデルとの比較を通じて、理論的不確実性を定量化すること。
• 計算された電荷形因子を$^{208}$Pbおよび$^{40}$Arにおける既存の弾性電子散乱データと比較することで、手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• スカイリム核力相互作用SkE2を用いてハートリー・フォック方程式を解き、陽子および中性子の密度分布を決定する。
• 得られた密度分布から標準的なフーリエ変換技術を用いて電荷および弱い核力形因子を計算する。
• $^{208}$Pbおよび$^{40}$Arにおける弾性電子散乱からの実験データと照合することで、電荷形因子の予測値を検証する。
• 導出された弱い形因子および核密度を用いてCE$ü$NS断面積を計算する。
• 微視的ハートリー・フォック予測と擬似実験的形因子パラメータ化との比較分析を実施し、理論的不確実性を評価する。
• $^{40}$Arはニュートリノおよびダークマター検出に用いられる液体アルゴン実験において重要であるため、焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SkE2相互作用を用いた微視的ハートリー・フォック計算は、$^{12}$C、$^{16}$O、$^{40}$Ar、$^{56}$Fe、$^{208}$Pbの電荷および弱い形因子をどの程度正確に記述できるか？
• RQ2 $^{208}$Pbおよび$^{40}$Arの予測された電荷形因子は、既存の弾性電子散乱データとどの程度一致するか？
• RQ3 微視的モデルと擬似実験的パラメータ化の間で比較した場合、$^{40}$Arの弱い形因子およびCE$ü$NS断面積における理論的不確実性の大きさはどの程度か？
• RQ4 これらの結果は、未来のCE$ü$NS実験が標準模型を超える新物理を検出する感度にどのように影響を与えるか？
• RQ5 CE$ü$NS断面積予測の不確実性を低減するためには、核構造モデリングにおいてどのような改善が必要か？

主な発見

• SkE2相互作用を用いたハートリー・フォック計算は、$^{208}$Pbおよび$^{40}$Arの電荷形因子を、既存の弾性電子散乱データと良好に一致させている。
• 本研究は、液体アルゴン実験の主要標的である$^{40}$Arの弱い形因子およびCE$ü$NS断面積について、新たな理論的根拠に基づく予測値を提供している。
• 微視的ハートリー・フォック予測と広く用いられる擬似実験的形因子パラメータ化との間に顕著な差が認められ、$^{40}$Arの形因子モデリングにおける非可視的理論的不確実性が示唆されている。
• 理論モデル間の相対的差異は、核構造の不確実性が、高精度CE$ü$NS測定において依然として主要な制限要因であることを示している。
• 将来的な高精度CE$ü$NS実験は、特に$^{40}$Arに関して核構造の詳細を制約する可能性を有しており、新物理探索の感度向上に寄与する。
• 結果は、ニュートリノおよびダークマター検出実験における系統的不確実性を低減するため、微視的核構造計算の発展が極めて重要であることを強調している。