[論文レビュー] Probing light vector mediators with coherent scattering at future facilities

Enrico Bertuzzo, Giovanni Grilli di Cortona+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、将来の二つの実験—νBDX-DRIFTおよびヨーロッパスパリレーションソース（ESS）での提案された検出器—が、共鳴的弾性ニュートリノ核散乱（CEνNS）を通じて軽いZ′ベクトルボソンへの感受性を評価する。本研究は、ESSベースの検出器が、ミュオンの異常磁気モーメント、Xenon1Tの電子過剰、およびアイスカイブ宇宙ニュートリノスペクトルの特異的特徴を説明できる可能性がある、これまで未探索のmZ′–gZ′パラメータ空間の領域を探索可能であることを示している。

ABSTRACT

Future experiments dedicated to the detection of Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering may be powerful tools in probing light new physics. In this paper we study the sensitivity on light $Z'$ mediators of two proposed experiments: a directional low pressure Time Projection Chamber detector, $ u$BDX-DRIFT, that will utilize neutrinos produced at the Long Baseline Neutrino Facility, and several possible experiments to be installed at the European Spallation Source. We compare the results obtained with existing limits from fixed-target, accelerator, solar neutrino and reactor experiments. Furthermore, we show that these experiments have the potential to test unexplored regions that, in some case, could explain the anomalous magnetic moment of the muon or peculiar spectral features in the cosmic neutrino spectrum observed by IceCube.

研究の動機と目的

• 将来のCEνNS実験が、標準模型を越える軽いZ′ベクトルボソンを探索する可能性を評価すること。
• 将来の施設が、現在の実験でテストされていないパラメータ領域、特にミュオンの異常磁気モーメントに関連する領域にアクセスできるかどうかを評価すること。
• これらの実験が、Xenon1Tの低エネルギー電子過剰を説明するモデルおよびアイスカイブ宇宙ニュートリノスペクトルの特異的特徴を説明するモデルを探索できるかどうかを調査すること。
• 三つのZ′モデル（ユニバーサル、B−L、Lμ−Lτ）において、νBDX-DRIFTとESSベースの検出器の感受性を比較すること。
• 未探索のまま残っているパラメータ空間の領域を特定し、将来のCEνNS実験がその領域を探索可能かどうかを同定すること。

提案手法

• 標準模型のフェルミオンへの結合を有する有効ラグランジアンを用いて、軽いZ′の相互作用をモデル化し、CEνNS過程に注目する。
• フォーム因子形式を用いてCEνNSの微分断面積を計算し、A²に比例する共鳴的強化を考慮する。
• ユニバーサルZ′、B−L、Lμ−Lτの三つのベンチマークモデルに、それぞれ異なるフェルミオン電荷割り当てを適用する。
• CS2ガス（60および411 Torr）を用いたνBDX-DRIFTと、Xe、CsI、Ge、Si、Ar、C3F8などの異なる標的材料を有するESSベースの検出器の検出器応答をシミュレートする。
• 90%信頼水準（C.L.）の感受性をmZ′–gZ′平面に投影し、BaBar、ATLAS、CMS、CCFR、Borexino、Xenon1Tの既存の制限と比較する。
• (g−2)μ、ΔNeff > 0.5、およびアイスカイブスペクトル特徴を組み込み、妥当なパラメータ領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来のCEνNS実験は、現在の実験で除外されていない、mZ′–gZ′パラメータ空間の新たな領域を探索可能か？
• RQ2 νBDX-DRIFTとESSベースの検出器は、ミュオンの異常磁気モーメントを説明するモデルをどの程度までテスト可能か？
• RQ3 これらの実験は、Xenon1T実験で観測された低エネルギー電子過剰を説明するパラメータ空間を探索可能か？
• RQ4 提案された検出器は、アイスカイブ宇宙ニュートリノスペクトルの特異的特徴を説明するモデルに感受性を示すか？
• RQ5 検出器の材料およびνBDX-DRIFTにおける圧力（60–411 Torr）が、軽いZ′媒介子への感受性にどのように影響するか？

主な発見

• ESSベースの検出器は、νBDX-DRIFTよりも著しく高い感受性を示し、Lμ−Lτモデルにおいて、これまで未探索のパラメータ空間の大部分を探索可能である。
• Lμ−Lτモデルにおいて、XeおよびCsI標的を有するESS検出器は、mZ′/MeV ≲ 60の領域（2σでミュオンの異常磁気モーメントを説明可能）を探索可能である。
• ESS検出器は、拡張されたLμ−Lτモデルで、(g−2)μの異常とXenon1Tの電子過剰の両方を説明するパラメータ空間をテスト可能である。
• ESS検出器は、アイスカイブ宇宙ニュートリノスペクトルに観測された特異的スペクトル特徴を説明する特定のモデル[74]に感受性を示す。
• νBDX-DRIFTは感受性が限定的であるが、ガス圧（60–411 TorrのCS2）を調整することで、パラメータ空間の盲点にアクセス可能である。
• Lμ−Lτモデルは特にESSによってよく探査されており、XeおよびCsI検出器は、mZ′ < 30 MeVの範囲で、(g−2)μの完全な解を除外可能な感受性に達している。