[논문 리뷰] Bounds on new physics with data of the Dresden-II reactor experiment and COHERENT

Pilar Coloma, Ivan Esteban외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 22.

Neutrino Physics Research참고 문헌 93인용 수 53

한 줄 요약

이 논문은 데르프트-II 원자로 실험에서 확보한 데이터를 이용해 새로운 물리학에 대한 최초의 제약 조건을 제시한다. 이 실험은 원자로 반중성자를 이용한 비틀림 없는 탄성 중성자-핵 산란(COHERENT)의 최초 관측을 보고하였다. 데르프트-II 데이터를 스퍼레이션 중성자원에서 확보한 COHERENT 데이터와 융합함으로써, 중성자 비표준 상호작용(NSI), 자화모멘트, 경량 스칼라/벡터 매개자에 대한 제약 조건이 강화되었다. 특히, 전자와의 탄성 산란가로 인해 감도가 향상되었으며, 이는 20 MeV 이하 질량의 경량 벡터 매개자에 대해 최대 5배까지 제약 조건을 강화시켰다.

ABSTRACT

Coherent elastic neutrino-nucleus scattering was first experimentally established five years ago by the COHERENT experiment using neutrinos from the spallation neutron source at Oak Ridge National Laboratory. The first evidence of observation of coherent elastic neutrino-nucleus scattering with reactor antineutrinos has now been reported by the Dresden-II reactor experiment, using a germanium detector. In this paper, we present constraints on a variety of beyond the Standard Model scenarios using the new Dresden-II data. In particular, we explore the constraints imposed on neutrino non-standard interactions, neutrino magnetic moments, and several models with light scalar or light vector mediators. We also quantify the impact of their combination with COHERENT (CsI and Ar) data. In doing so, we highlight the synergies between spallation neutron source and nuclear reactor experiments regarding beyond the Standard Model searches, as well as the advantages of combining data obtained with different nuclear targets. We also study the possible signal from beyond the Standard Model scenarios due to elastic scattering off electrons (which would pass selection cuts of the COHERENT CsI and the Dresden-II experiments) and find more stringent constraints in certain parts of the parameter space than those obtained considering coherent elastic neutrino-nucleus scattering.

연구 동기 및 목표

• 데르프트-II 실험에서의 원자로 반중성자를 이용한 비틀림 없는 탄성 중성자-핵 산란(CEνNS)의 최초 관측를 이용해 초표준모형(Standard Model)을 초월하는 물리학에 대한 새로운 제약 조건을 유도하기 위해.
• 원자로 및 스퍼레이션 중성자원 실험(COHERENT 등) 간의 상호보완적 잠재력을 평가하여, CEνNS 및 전자 산란을 통한 초표준모형 시나리오 탐색 가능성을 정량화하기 위해.
• 이전의 초표준모형 분석에서 간과되었던 전자와의 탄성 산란의 영향을 평가하여, 경량 매개자 또는 자화모멘트를 포함한 모델에서 감도 향상 효과를 분석하기 위해.
• Ge, CsI, Ar 등의 다양한 핵 타겟이 맛에 의존하는 초표준모형 상호작용과 보편적인 초표준모형 상호작용을 제약하는 데에서의 감도를 비교하기 위해.
• 낮은 운동량 이송 실험의 감도가 경량 신물리학을 탐색하는 데서 어떤 영향을 미치는지 평가하며, 특히 CEνNS가 지배적이지 않은 상황에서의 탐색 가능성을 분석하기 위해.

제안 방법

• 최근 공개된 고노출 데르프트-II 원자로 실험 데이터를 사용하였으며, 이는 게르마늄 검출기에서 배경 대비 CEνNS에 대한 강한 선호도를 보고하였다.
• 스퍼레이션 중성자원에 위치한 CsI 및 아르곤 검출기에서 확보한 COHERENT 데이터와 데르프트-II 데이터를 융합하였으며, 중성자 맛 조성과 타겟 핵의 차이를 활용하였다.
• 비표준 상호작용(NSI), 중성자 자화모멘트, 경량 스칼라/벡터 매개자 등의 다양한 초표준모형 모델에서 CEνNS 및 전자와의 탄성 산란(ES)의 사건 수율 예측을 수립하였다.
• 베이지안 통계 분석을 적용하여 신호 가설(BSM + SM)을 배경 전용 가설과 비교하였으며, 베이즈 요인과 사후 분포를 계산하였다.
• Ge, CsI, Ar에 대해 실제 검출기 효과인 쿠잉팅 인자, 에너지 해상도, 전자 결합 에너지 보정(효과적 Zeff를 통한)을 포함하였다.
• 각 실험 및 그 융합 결과의 감도를 다양한 초표준모형 매개변수에 대해 평가하였으며, 특히 ES가 지배적인 낮은 운동량 이송 영역에 초점을 맞추었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 데르프트-II 원자로 실험의 신규 데이터는 이전의 제약 조건 대비 중성자 비표준 상호작용(NSI)에 대해 어떤 정도 향상된 제약 조건을 제공하는가?
• RQ2 CEνNS 실험에서 전자 산란(ES)을 포함함으로써, 경량 벡터 및 스칼라 매개자에 대한 감도는 어느 정도 향상되는가?
• RQ3 특히 맛에 의존하는 초표준모형 상호작용에 대해, COHERENT(SNS)와 데르프트-II(원자로) 데이터를 융합함으로써 감도 향상의 상호보완적 효과는 어느 정도인가?
• RQ4 중성자 자화모멘트에 대한 제약 조건에서 COHERENT와 데르프트-II 간의 비교는 어떻게 되며, 서로 다른 중성자 맛에 대해 어느 실험의 감도가 더 높은가?
• RQ5 매개변수 공간의 어느 영역에서 전자 산란가 CEνNS를 초월하는가? 그리고 이는 100 MeV 이하의 경량 매개자 탐색 가능성을 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 분석에 전자 산란(ES)을 포함함으로써, 20 MeV 이하 질량의 경량 벡터 매개자(B−L 및 보편 모델)에 대한 제약 조건이 CEνNS 전용 제약 조건 대비 최소 5배 이상 향상되었다.
• COHERENT CsI 데이터의 경우, ES 기여가 상당히 크며, 저질량 벡터 매개자 영역에서 CEνNS 전용 제약 조건보다 더 강력한 제약 조건을 유도한다.
• 중성자 자화모멘트 제약 조건에서 데르프트-II 데이터는 COHERENT를 능가하지만, 뮤온 중성자 자화모멘트는 COHERET의 혼합 맛 중성자 플럭스를 통해만 접근 가능하므로 예외이다.
• COHERENT(CsI, Ar)와 데르프트-II(Ge) 데이터의 융합은 비표준 상호작용(NSI) 매개변수의 디제네레이션을 깨뜨리며, 특히 전자 맛 NSI 매개변수의 제약 조건을 향상시킨다.
• 경량 스칼라 매개자 및 중성자 자화모멘트에 대해서는, 데르프트-II의 에너지 범위에서 CEνNS가 여전히 주요 신호이지만, 고에너지 영역에서는 ES가 경쟁력 있는 신호가 된다.
• 미래 분석에서 재구성된 에너지 범위를 확장할 경우, 데르프트-II 실험의 경량 벡터 매개자와 관련된 초표준모형 시나리오 탐색 감도가 크게 향상될 수 있다.