[論文レビュー] Search for sterile neutrino with light gauge interactions: recasting collider, beam-dump, and neutrino telescope searches

Yongsoo Jho, Jong‐Kuk Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、2つの$U(1)_X$モデル（$B-L$およびスティーリー特化型）における軽いゲージボソン$X^\mu$と結合する不活性ニュートリノを調査し、既存の加速器実験、ビームダンプ実験、ニュートリノ望遠鏡のデータを再解釈して、アクティブ-不活性混合$|U_{\tau 4}|^2$を制約する。今後、FASER、SHiP、IceCube-Gen2での探索が、MiniBooNE/LSNDの低エネルギー過剰を解消するための好ましいパラメータ領域を探索可能であると示している。特に$m_4 < 1$ GeVおよび$|U_{\tau 4}|^2 \sim 10^{-10} \text{--} 10^{-8}$の領域で顕著である。

ABSTRACT

We investigate features of the sterile neutrinos in the presence of a light gauge boson $X^\\mu$ that couples to the neutrino sector. The novel bounds on the active-sterile neutrino mixings $| U_{\\ell 4} |^2$, especially for tau flavor ($l = \ au$), from various collider and fixed target experiments are explored. Also, taking into account the additional decay channel of the sterile neutrino into a light gauge boson ($\ u_4 \ o \ u_\\ell e^+ e^-$), we explore and constrain a parameter space for low energy excess in neutrino oscillation experiments.

研究の動機と目的

• UV完全な$U(1)_X$モデルにおける軽いゲージ相互作用を有する不活性ニュートリノの素粒子物理学的性質を調査すること。
• 加速器実験、ビームダンプ実験、ニュートリノ望遠鏡の探索から得られた既存の実験的制約を再解釈し、アクティブ-不活性混合$|U_{\ell 4}|^2$（特に$\ell = \tau$）を制約すること。
• 近い将来の実験（FASER、FASER2、SHiP、IceCube-Gen2）が、MiniBooNEおよびLSNDの低エネルギー過剰を解消するパラメータ領域をどの程度感度よく探査できるかを評価すること。
• 強度フロントランチの実験における長寿命粒子探索の包括的フレームワークを提供すること。

提案手法

• $U(1)_{B-L}$対称性を有するモデルAと不活性ニュートリノ特化型$U(1)_s$対称性を有するモデルBの2つの異常フリーな$U(1)_X$モデルを構築する。
• 軽いゲージボソン$X^\mu$を介して$\nu_4$が$\nu_\ell e^+e^-$に崩壊する過程により、不活性ニュートリノ$\nu_4$の崩壊幅および寿命を計算する。
• CHARM、NOMAD、LEP、Belle/BaBar、IceCube-DeepCoreの既存実験データを再解釈し、$m_4$および$m_X$の関数として$|U_{\tau 4}|^2$の制約を設定する。
• FASER、FASER2、SHiP、IceCube-Gen2の二重カスケード探索における信号シミュレーションを用いて、今後の感度を評価する。
• $X^\mu$と光子の運動的混合を組み込むことで、$Z$ボソンの非可視幅およびモノジェット制約と接続する。
• $\nu_4 \to \nu_\ell e^+e^-$崩壊チャネルを用いて、長寿命でバーテックス検出可能な不活性ニュートリノのパラメータ領域を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軽いゲージボソンの相互作用は、標準模型の$U(1)_X$拡張における不活性ニュートリノの素粒子物理学的性質をどのように変化させるか？
• RQ2 軽い$X^\mu$が存在する状況下で、加速器実験、ビームダンプ実験、ニュートリノ望遠鏡の探索から$|U_{\tau 4}|^2$に課せられる現在の実験的制約は何か？
• RQ3 FASER、SHiP、IceCube-Gen2といった今後の実験の中で、MiniBooNE/LSNDの低エネルギー過剰を説明するパラメータ領域を最も感度よく探査できるのはどれか？
• RQ4 $\nu_4 \to \nu_\ell e^+e^-$崩壊チャネルは、高強度実験における長寿命不活性ニュートリノの検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 $m_X$、$g_X$、$|U_{\tau 4}|^2$の間の相互作用は、短基準長異常を解消する不活性ニュートリノの妥当性を決定づけるか？

主な発見

• $Z$ボソンの非可視幅からの現在の制約は、$m_4 \lesssim 1$ GeVの範囲で$|U_{\tau 4}|^2 \lesssim 10^{-10}$である。
• CHARMおよびNOMAD実験は、$m_4 \lesssim 1$ GeVの範囲で$|U_{\tau 4}|^2 \lesssim 10^{-10}$を制約しており、$m_X \sim 0.1m_4$領域でより強い制約が得られている。
• IceCube-DeepCoreは、$m_4 \lesssim 1$ GeVの範囲で$|U_{\tau 4}|^2 \lesssim 10^{-10}$を制約している。一方、LEPのモノジェット探索は、$m_4 \lesssim 1$ GeVの範囲で$|U_{\tau 4}|^2 \lesssim 10^{-11}$を制約している。
• 今後のFASERおよびFASER2実験は、$m_4 < 1$ GeVの範囲で$|U_{\tau 4}|^2 \sim 10^{-10}$を探索可能であり、MiniBooNE/LSNDの低エネルギー過剰を説明する好ましい領域をカバーする。
• SHiPは、$m_4 < 1$ GeVの範囲で$|U_{\tau 4}|^2 \sim 10^{-12}$を探索可能であると予想されており、現在の限界を著しく改善する。
• 宇宙からのニュートリノを用いたIceCube-Gen2の二重カスケード探索は、$m_4 \lesssim 1$ GeVの範囲で$|U_{\tau 4}|^2 \sim 10^{-10}$に達する見込みであり、同様の領域で競争力のある感度を示す。