[論文レビュー] XENON1T constraints on neutrino non-standard interactions

Siddhartha Karmakar, Sujata Pandey|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、XENON1Tの低エネルギー電子反発データを用いて、力学的混合された軽い $Z^{\backprime}$ ボソンによって媒介されるニュートリノの非標準的相互作用（NSI）を制約している。XENON1Tは、$m_{Z^{\backprime}} \lesssim 300$ keV の範囲で、赤色巨星の冷却など従来の天体物理学的制約を上回り、特に重要な領域で最も厳しい制約を与える。また、XENON1Tの2 keVの過剰を説明できる可能性がある、妥当なシナリオ（ケース2a）を同定している。

ABSTRACT

The new XENON1T observation of dark matter-electron scattering cross-section, along with further constraining many popular dark matter models, has indicated the possibility of new physics at a low energy. We point out that this new observation also significantly constrain the neutrino non-standard interactions (NSI). We consider the NSI arising from a kinetically mixed $Z'$ with renormalisable and dipole-like interactions with the active and light sterile neutrinos. In passing, we also address the possibility of explaining the XENON1T excess around electron recoil energy ~ 2 keV in presence of such NSI.

研究の動機と目的

• XENON1Tの低エネルギー電子反発データを用いて、軽い $Z^\backprime$ ボソンによって媒介されるニュートリノの非標準的相互作用（NSI）を制約すること。
• XENON1Tの2 keV付近の過剰を説明できる $Z^\backprime$-媒介NSIの妥当性を評価すること。
• 赤色巨星の冷却、超新星冷却、Borexinoの結果と比較して、特に活性ニュートリノおよびステアラー・ニュートリノを含むシナリオにおけるXENON1Tの制約を評価すること。
• ステアラー・ニュートリノの質量と $Z^\backprime$-ニュートリノ結合のタイプ（ローレンツ不変、電気双極子型）が得られる制約に与える影響を評価すること。
• すべてのNSIシナリオが、XENON1Tの過剰を同時に説明可能であり、厳密な天体物理学的および宇宙論的制約を満たしているかどうかを同定すること。

提案手法

• ローレンツ不変および双極子型の相互作用を通じて、活性ニュートリノおよび軽いステアラー・ニュートリノと結合する力学的混合された $Z^\backprime$ ボソンを用いたNSIのモデル化。
• $Z^\backprime$-ニュートリノ相互作用のラグランジアンから導かれる振幅を用いて、ニュートリノ-電子散乱の微分断面積を計算し、運動論的要因と $\epsilon$-依存の混合を含める。
• XENON1Tの効率係数 $\epsilon_{\text{eff}}(E_R)$ を適用し、太陽ニュートリノフラックス（pp、$^7$Be、$^8$Be、hep）の積分を実行してイベントレートを計算する。
• $\chi^2$フィッティングを用いて、さまざまな $m_{Z^{\backprime}}$ および $m_N$ 値における結合定数 $g\epsilon$ の最良適合制約を特定する。
• 赤色巨星冷却（RG）、超新星冷却（SN）、ビッグバン核合成（BBN）の制約と比較し、特にステアラー・ニュートリノを含むシナリオにおいて評価する。
• 高エネルギーの $m_N$ および $E_\nu \sim m_N$ の領域で支配的となる $Ne \to Ne$ 弹性散乱（$Z^\backprime$ 交換）の役割を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XENON1Tの低エネルギー電子反発データは、活性ニュートリノおよびステアラー・ニュートリノと相互作用する $Z^\backprime$-媒介NSIをどの程度制約するか？
• RQ2 XENON1Tの2 keV付近の過剰を説明できる $Z^\backprime$-媒介NSIシナリオは存在するか？ その場合、天体物理学的制約と整合的であるか？
• RQ3 さまざまな $m_{Z^{\backprime}}$ および $m_N$ の領域において、XENON1Tの制約が赤色巨星冷却や超新星冷却の制約に比べてどの程度強いか？
• RQ4 高質量ステアラー・ニュートリノ（$m_N \gtrsim 400$ keV）において、$Ne \to Ne$ 散乱が $\nu e \to Ne$ 散乱を上回る場合、制約にどのような影響を与えるか？
• RQ5 星の冷却および宇宙論的制約を含めた上で、どのパラメータ空間で $Z^\backprime$-ニュートリノ結合が依然として妥当とされるか？

主な発見

• $m_{Z^{\backprime}} \lesssim 80$ keV の範囲では、赤色巨星冷却がローレンツ不変相互作用（ケース1a）を通じて $Z^\backprime$-ニュートリノ結合に最も強い制約を与えるが、$m_{Z^{\backprime}} \gtrsim 80$ keV の領域ではXENON1Tがそれを上回る。
• 活性ニュートリノとの双極子型相互作用（ケース1b）では、$30~\text{keV} \lesssim m_{Z^{\backprime}} \lesssim 300$ keV の範囲でXENON1Tが最も厳しい制約を与え、2σで $g\epsilon \lesssim 2.4 \times 10^{-13}$ となる。
• $m_{Z^{\backprime}} \lesssim 30$ keV では赤色巨星冷却、$m_{Z^{\backprime}} \gtrsim 300$ keV では超新星冷却の制約がXENON1Tを上回る。
• $m_N \lesssim 10$ keV のステアラー・ニュートリノシナリオでは赤色巨星冷却が最も強いが、$m_N \gtrsim 10$ keV の領域ではXENON1Tの制約が支配的になる。特に $m_{Z^{\backprime}} \sim 1$ keV の領域で顕著である。
• $m_{Z^{\backprime}} = 150$ keV の場合、XENON1Tの制約はすべての $m_N$ に対して赤色巨星冷却を上回り、keVスケールの $Z^\backprime$ ボソン領域で支配的であることが示された。
• ステアラー・ニュートリノとの双極子型相互作用（ケース2bおよび3b）では、$m_N \gtrsim 350$ keV の領域で超新星冷却が最も厳しい制約を与えるが、$m_N \gtrsim 200$ keV の領域では太陽ニュートリノフラックスが400 keV以上で減少するため、XENON1Tの制約が弱体化する。