[論文レビュー] Viable models for large non-standard neutrino interactions

Yasaman Farzan|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 28被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、10 MeV 前後の $Z'$ ボソンを伴う軽量な $U(1)'$ ゲージ対称性に基づく2つの実現可能なモデルを提案する。これらのモデルは、$5\times10^{-5}$ から $10^{-4}$ のオーダーの結合定数を持つ、大規模な中性荷電現在の非標準的ニュートリノ相互作用（NSI）を生成する。これらの NSI は、DUNE や NO\nu A などの長基線ニュートリノ振動実験で識別可能な効果をもたらすが、クォークおよびニュートリノへの結合における正確なフレーバーおよびヘリシティ構造のおかげで、既存の実験的制約と整合的である。

ABSTRACT

Thanks to high precision long baseline neutrino experiments such as NO$ν$A and DUNE, possible effects of Non-Standard neutrino Interactions (NSI) on neutrino oscillation data have received renewed interest in the last two years. It is however challenging to build models that can give rise to NSI with sizeable couplings discernible at neutrino oscillation experiments without violating the various existing experimental bounds. We introduce two viable models that can lead to neutral current NSI with sizable couplings. Both models are based on a new $U(1)^\prime$ gauge symmetry with $Z^\prime$ gauge boson of mass $O(10~{ m MeV})$. We will highlight the common phenomenological features of these models and suggest ways to test them.

研究の動機と目的

• DUNE や NO\\nu A などの長基線振動実験で検出可能なほど十分に大きな結合定数を持つ、大規模な中性荷電現在の非標準的ニュートリノ相互作用（NSI）を生成する実現可能なモデルを構築すること。
• ニュートリノ散乱、太陽ニュートリノ実験、および宇宙論からの既存の実験的制約と整合的であることを保証すること。
• 天体的および地上実験でモデルを検証可能な観測可能なシグナルを同定すること。
• 共通の $U(1)'$ ゲージ対称性から生じるフレーバー対角およびフレーバー非対角の NSI 構造の物性的意味を調査すること。

提案手法

• 質量が $O(10\,$MeV) の新しい $U(1)'$ ゲージ対称性を導入し、ニュートリノおよび第一世代クォークと結合する $Z'$ ゲージボソンを導入する。
• $Z'$ 交換によって生じる有効な4フェルミオン NSI ラグランジアンを構築し、$\mathcal{L}_{\rm NSI} = -2\sqrt{2}G_F \epsilon_{\alpha\beta}^{fX} (\bar{\nu}_\alpha \gamma^\mu P_L \nu_\beta)(\bar{f}\gamma_\mu P_X f)$ とパラメータライズする。
• クォークへの非ヘリシティ的結合（$\epsilon^{fL}_{\alpha\beta} = \epsilon^{fR}_{\alpha\beta}$）を課し、電子への結合をゼロにすることで太陽ニュートリノ束流の制約を保つ。
• $m_{Z'} < m_\pi$ の場合に $Z'$ がニュートリノに支配的に崩壊するようにし、リリックニュートリノとの共鳴的相互作用を可能にする。
• $Z'$ 交換によって物質中で $\epsilon_{\alpha\beta} \sim O(1)$ のオーダーの大きな NSI 結合定数を生成し、振動パターンに影響を与える。
• CCFR や CHARM、NuTeV などの既存実験からの制約およびビッグバン核合成からの宇宙論的制約を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存の実験的制約に違反しない範囲で、$\epsilon \sim O(1)$ のオーダーの大規模な中性荷電現在 NSI 結合定数を生成する実現可能なモデルを構築できるか？
• RQ2 質量が $10\,$MeV 前後の軽量 $Z'$ ボソンが、ニュートリノ散乱および太陽ニュートリノデータと整合的である中で、顕著な NSI を媒介できるか？
• RQ3 このような $Z'$ の主な天体物理学的および宇宙論的シグナルは何か？
• RQ4 大規模な非対角 NSI を通じて、太陽ニュートリノ問題の LMA-Dark 解を説明できるか？
• RQ5 $Z'$ が超新星ニュートリノ放出および高エネルギー宇宙ニュートリノスペクトルに与える観測可能な効果は何か？

主な発見

• モデルは $5\times10^{-5}$ から $10^{-4}$ のオーダーの NSI 結合定数を生成し、DUNE や NO\nu A などの長基線ニュートリノ振動実験で測定可能な効果をもたらす。
• $O(10\,$MeV) の質量を持つ $Z'$ ボソンは、超新星の核で熱的に生成され、$\sim10^{-9}$ km の崩壊長を持つため、ニュートリノ放出の持続時間を延長する。
• 高エネルギー宇宙ニュートリノがリリックニュートリノと相互作用して $Z'$ を共鳴的に生成することで、$m_{Z'} \sim 10\,$MeV の場合に $E_\nu \sim 500\,$TeV から 1 PeV のエネルギー領域にエネルギースペクトルのディップが生じる。
• $Z'$ のニュートリノおよびクォークへの結合は、直接的ダークマター検出実験で探査可能である：CDMLite からの現在の制約（$\sqrt{g_B g_\nu} \lesssim 5\times10^{-5}$）はパラメータ空間の一部を制約しており、将来的な LUX-ZEPLIN や SuperCDMS はその全領域を完全に探査可能である。
• モデルは $Z'$ 共鳴による宇宙ニュートリノスペクトルの測定可能なディップを予測し、関連する結合定数範囲では光学的厚さ $\gtrsim 1$ となるため、IceCube のデータで検出可能である可能性がある。
• ビッグバン核合成の制約から $m_{Z'} > 5\,$MeV である必要があり、$\epsilon^{eL,R}_{\alpha\beta} = 0$ および $u$ および $d$ クォークの左/右結合が等しいことにより、太陽ニュートリノ実験からの制約を回避する。