[논문 리뷰] A Plan to Rule out Large Non-Standard Neutrino Interactions After COHERENT Data

Peter B. Denton, Yasaman Farzan외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 10.

Neutrino Physics Research인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 COHERENT와 향후 레이저 반응기 실험(CONUS)의 CEνNS 데이터를 활용하여 경량 중간자(5–12 MeV)를 가진 큰 비표준 중성미온 상호작용(NSI)을 배제하는 전략을 제안한다. COHERENT 데이터는 95% 신뢰수준에서 $M_{Z^\prime} > 48$ MeV일 경우 LMA–다크 해법을 배제하는 반면, 오직 COHERENT, CONUS 및 천체물리적 탐사(BBN/CMB)의 병합 제약 조건만이 $ee$-세그먼트 LMA–다크 해법을 완전히 배제할 수 있으며, MeV 스케일 중간자에 대해 $\mu\mu$/$\tau\tau$ 세그먼트는 타당성이 유지된다.

ABSTRACT

In the presence of neutrino Non-Standard Interactions (NSI) with matter, the derivation of neutrino parameters from oscillation data must be reconsidered. In particular, along with the standard solution to neutrino oscillation, another solution known as "LMA--Dark" is compatible with global oscillation data and requires both $\ heta_{12}>\\pi/4$ and a certain flavor pattern of NSI with an effective coupling comparable to $G_F$. Contrary to conventional expectations, there is a class of models based on a new $U(1)_X$ gauge symmetry with a gauge boson of mass of few MeV to few 10 MeV that can viably give rise to such large NSI. These models can in principle be tested by Coherent Elastic $\ u$-Nucleus Scattering (CE$\ u$NS) experiments such as COHERENT and the upcoming reactor neutrino experiment, CONUS. We analyze how the recent results from the COHERENT experiment constrain these models and forecast the discovery potential with future measurements from COHERENT and CONUS. We also derive the constraints from COHERENT on lepton flavor violating NSI.

연구 동기 및 목표

• COHERENT의 CEνNS 측정 결과 이후 경량 $Z^\prime$ 중간자를 가진 큰 비표준 중성미온 상호작용(NSI)이 여전히 타당한지 평가하기 위해.
• COHERENT의 데이터와 향후 레이저 반응기 실험을 통해 LMA–다크 해법(특성화: $\theta_{12} > \pi/4$ 및 $\epsilon \sim \mathcal{O}(1)$)에 대한 제약 조건을 평가하기 위해.
• 미래의 CEνNS 실험(COHERENT 및 CONUS)이 다양한 NSI 세그먼트($ee$, $\mu\mu$, $\tau\tau$)에서 LMA–다크 해법을 테스트하는 민감도를 결정하기 위해.
• 특히 진동 데이터의 디제너레이션 상황에서, 경량 $Z^\prime$ 보손을 갖는 $U(1)_X$ 기반 모델이 큰 NSI를 생성하는 경우의 타당성을 검토하기 위해.
• CEνNS 제약 조건과 천체물리적 제약 조건(BBN 및 CMB)을 병합하여 LMA–다크 해법 테스트의 잔여 격차를 완전히 제거하기 위해.

제안 방법

• 차원-6 NSI 라그랑지안을 사용하는 효과적 장 이론 프레임워크를 적용: $\mathcal{L}_{\text{NSI}} \supset 2\sqrt{2}G_F \epsilon_{\alpha\beta}^{f,V} (\bar{\nu}^\alpha \gamma^\mu \nu_\beta)(\bar{f}\gamma_\mu f)$, NSI 강도는 $\epsilon_{\alpha\beta}^{f,V}$로 매개변수화.
• COHERENT의 CsI 검출기에서의 CEνNS 단면적을 분석하며, keV 범위의 반동 에너지를 갖는 핵에 대한 코herent 산란을 모델링.
• COHERENT의 6.7$\sigma$ 검출 결과를 기반으로 95% 신뢰수준 통계적 제약 조건을 적용하여 $M_{Z^\prime}$에 따라 $g_\nu g_q$ 곱을 제약.
• CsI를 10년 동안 운용하고 50% 가동률을 가정할 때 향후 COHERENT의 민감도를 예측하며, 기준으로 $\epsilon = 0$을 사용.
• CEνNS 제약 조건을 대폭 확장된 빅뱅 핵합성(BBN) 및 우주 마이크파 배경(CMB) 제약 조건과 병합하여 $M_{Z^\prime} \lesssim 5$ MeV로 제약.
• Germanium 검출기 설계를 기반으로 한 CONUS 레이저 반응기 중성미온 실험의 발견 가능성을 평가하며, 주로 $ee$-세그먼트 NSI에 집중.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 COHERENT의 CEνNS 데이터 이후 5–12 MeV 범위의 $Z^\prime$ 중간자를 가진 큰 NSI가 여전히 타당한가?
• RQ2 COHERENT의 현재 및 향후 CEνNS 측정 결과가 $\theta_{12} > \pi/4$ 및 $\epsilon \sim \mathcal{O}(1)$ 조건을 갖는 LMA–다크 해법을 어느 정도 제약할 수 있는가?
• RQ3 CONUS와 같은 향후 레이저 기반 CEνNS 실험과 천체물리적 데이터를 병합할 경우, $ee$-세그먼트에서 LMA–다크 해법을 완전히 배제할 수 있는가?
• RQ4 진동 데이터의 디제너레이션(예: 유니버설 플레이어 $x$-파라미터 및 GMOD)이 CEνNS 제약 조건에도 불구하고 LMA–다크 해법을 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 COHERENT, CONUS 및 천체물리적 제약 조건을 병합한 후에도 MeV 스케일의 $Z^\prime$ 중간자를 가진 $\mu\mu$ 및 $\tau\tau$ NSI 세그먼트는 여전히 타당한가?

주요 결과

• COHERENT 데이터는 CsI 검출기에서의 CEνNS 측정 결과를 바탕으로 95% 신뢰수준에서 $M_{Z^\prime} > 48$ MeV일 경우 LMA–다크 해법을 배제한다.
• CsI를 10년 동안 운용하는 향후 COHERENT 측정 결과는 $M_{Z^\prime}$에 대한 제약 조건을 약 10 MeV로 향상시킬 수 있지만, 천체물리적 제약 조건과의 격차를 메우기에는 부족하다.
• COHERENT, CONUS 및 천체물리적 제약 조건(BBN 및 CMB)을 병합하면 $ee$-세그먼트에서 LMA–다크 해법을 완전히 배제할 수 있으며, 유일한 예외는 $x \to 2$의 특수 케이스뿐이며, 이 경우 $x$는 유니버설 플레이어 NSI 기여를 매개변수화한다.
• MeV 스케일의 $Z^\prime$ 중간자를 가진 $\mu\mu$ 및 $\tau\tau$ 세그먼트에서의 LMA–다크 해법은 향후 CEνNS 데이터 이후에도 여전히 타당성이 유지되며, 이는 이러한 채널에 대한 제약 조건이 약하기 때문이다.
• $\mu\mu$ 채널에서의 디제너레이션(이를 $ee$ 채널에서는 관찰되지 않음)은 $g_\nu g_q$ 대비 $M_{Z^\prime}$ 평면에서 희미한 허용 영역을 유도하며, 이는 고통계 향후 실험을 통해만 해결될 수 있다.
• $x=2$ 케이스—즉, $\epsilon_{ee} = \epsilon_{e\mu} = \epsilon_{e\tau} = 0$ 이지만 $\epsilon_{\mu\mu}, \epsilon_{\tau\tau} \neq 0$—는 특별히 조정된 것이 아니며, 전자기적 공포성과 같은 대칭성에 의해 유도될 수 있어 $\mu\mu$/$\tau\tau$ LMA–다크 해법의 타당성을 유지한다.