[논문 리뷰] An Active-to-Sterile Neutrino Transition Dipole Moment and the XENON1T Excess

Ian M. Shoemaker, Yu-Dai Tsai외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 10.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 활성 중성자와 무색 중성자 간의 전이 자기 이중극 모멘트가 은하수1T 전자 반발 과잉 현상을 설명할 수 있으며, 천체물리학적 제약 조건을 위반하지 않음을 제안한다. 질량 약 260 keV 또는 500–800 keV 범위의 무색 중성자를 도입함으로써, 모델은 SN1987A와 항성 에너지 손실에서의 제약 조건을 피할 수 있으며, 초기 우주의 낮은 재가열 온도는 빅뱅 핵합성(BBN) 제약 조건을 완화시킨다.

ABSTRACT

In this short letter, we find that a magnetic transition dipole moment between tau and sterile neutrinos can account for the XENON1T excess events. Unlike the ordinary neutrino dipole moment, the introduction of the new sterile mass scale allows for astrophysical bounds to be suppressed. Interestingly, the best-fit regions that are compatible with the SN1987A imply either boron-8 or CNO neutrinos as the source flux. We find that sterile neutrinos of either $\sim$ 260 keV or in the $\sim$(500 - 800) keV mass range are capable of evading astrophysical constraints while being able to successfully explain the XENON1T event rate. The sterile neutrino in the best fit parameter space may have significant effects on big bang nucleosynthesis (BBN). We show the region in which a low reheating temperature of the Universe may allow the BBN constraints to be alleviated.

연구 동기 및 목표

• 새로운 중성자 이중극 포털 상호작용을 통해 XENON1T 전자 반발 과잉 현상을 설명하기 위해.
• 일般적으로 이러한 모델을 금지시키는 천체물리학적 제약 조건(예: SN1987A 및 항성 에너지 손실)을 피하기 위해.
• XENON1T 데이터와 천체역학적 제약 조건과 일치하는 무색 중성자 질량과 결합 강도를 규명하기 위해.
• 초기 우주에서 낮은 재가열 온도가 무색 중성자에 대한 빅뱅 핵합성(BBN) 제약 조건을 어떻게 완화시킬 수 있는지 탐색하기 위해.
• 초기 우주에서 열적 평형화 및 붕괴 과정을 고려할 때 이중극 포털 모델의 타당성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 모델은 상호작용 라그랑지안을 통해 활성(타우) 중성자와 무색 중성자 간의 전이 자기 이중극 모멘트를 도입한다: $\mathcal{L} \supset d(\bar{\nu}_L \sigma_{\mu\nu} F^{\mu\nu} N) + \text{h.c.}$, 여기서 $d$는 이중극 결합 상수이다.
• 무색 중성자에 대해 디라크 질량 $m_4$를 할당하고, 활성 중성자와의 혼합이 미미하여 강한 제약 조건을 피하기 위해 가정한다.
• 태양 중성자 플럭스(프로톤-프로톤, CNO, 및 $^8$B)를 사용하여 XENON1T에서의 사건 빈도를 계산하고, 검출기 효율까지 포함하여 관측된 과잉 현상과 비교한다.
• 열적 평형화 속도를 계산하기 위해 $\nu + \gamma \to N$ 및 $\nu + e^- \to N$ 반응의 열적 평균 단면적을 사용하고, 허블 상수와 비교한다.
• 열적 평형화 속도가 2–5 MeV 이하에서 허블 상수를 초과하지 않도록 하여, $N$의 과잉 생성을 방지하고 BBN 제약 조건을 위반하지 않도록 매개변수 공간을 제약한다.
• 초기 우주에서 낮은 재가열 온도($T_{\rm RH} \sim 2{-}5$ MeV)가 열적 평형화 및 BBN에 미치는 영향을 평가하며, 이러한 시나리오가 강력한 제약 조건을 피할 수 있음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 활성 중성자와 무색 중성자 간의 전이 자기 이중극 모멘트가 XENON1T 전자 반발 과잉 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 이러한 모델이 SN1987A 및 항성 에너지 손실에서 유래하는 천체물리학적 제약 조건을 어떻게 피할 수 있는가?
• RQ3 XENON1T 데이터와 천체역학적 제약 조건과 일치하는 무색 중성자 질량과 이중극 결합 상수는 무엇인가?
• RQ4 초기 우주에서 낮은 재가열 온도가 무색 중성자에 대한 빅뱅 핵합성(BBN) 제약 조건을 완화시킬 수 있는가?
• RQ5 역분해 과정($\nu + \gamma \to N$)이 무색 중성자의 열적 평형화에 어떤 역할을 하는가? 그리고 천체역학적 제약 조건에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• XENON1T 과잉 현상은 질량 약 260 keV 또는 500–800 keV 범위의 무색 중성자와 타우 중성자 간의 전이 이중극 모멘트로 설명될 수 있다.
• 신규로 도입된 무색 중성자 질량 척도로 인해 천체물리학적 제약 조건이 억제되어, SN1987A 및 항성 에너지 손실 제약 조건을 피할 수 있다.
• $^8$B 및 CNO 중성자에 대한 최적 피팅 영역은 낮은 재가열 온도 시나리오($T_{\rm RH} \sim 2{-}5$ MeV)와 호환되며, 이는 열적 평형화를 억제하고 BBN 제약 조건을 완화시킨다.
• $^8$B 중성자 플럭스는 질량 $m_4 \sim 640$ keV 및 이중극 결합 상수 $d \sim 2.2 \times 10^{-9}~\mu_B$ 근처에서 최적 피팅 영역을 제공하며, 관측된 XENON1T 신호 스펙트럼과 일치한다.
• $\nu + \gamma \to N$ 역분해 과정은 열적 평형화에 핵심적인 역할을 하며, $T \sim m_4/2$ 근처에서 공진을 보이고, 특정 영역에서는 $e^- + \nu \to N$ 과정을 초월할 수 있다.
• 2 MeV 또는 5 MeV 이하에서 열적 평형화 속도가 허블 상수를 초과하는 매개변수 영역을 규명하였으며, 타당한 영역은 이러한 곡선 이하에 위치해 있어, 낮은 $T_{\rm RH}$ 조건 하에서 BBN 안전성이 가능하다는 것을 시사한다.