[논문 리뷰] Constraints on neutrino electric millicharge from experiments of elastic neutrino-electron interaction and future experimental proposals involving coherent elastic neutrino-nucleus scattering

A. Parada|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 10.

Neutrino Physics Research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 기존의 반재료 중성미온-전자 산란(ENES) 데이터에 대한 통계적 분석을 수행하고, 향후 일관된 탄성 중성미온-핵 산란(CENNS) 실험의 중성미온 전기 밀리전하를 제약하는 데의 민감도를 예측한다. ENES의 통합 한계는 $-1.1\times 10^{-12}e < q_\nu < 9.3\times 10^{-13}e$ (90% 신뢰수준)이며, 향후 CENNS 실험의 예측 한계는 $-1.8\times 10^{-14}e < q_\nu < 1.8\times 10^{-14}e$ (90% 신뢰수준)로, CENNS가 중성미온 전자기적 성질에 대한 더 엄격한 제약을 제공할 수 있는 매우 유망한 미래의 탐사 수단임을 시사한다.

ABSTRACT

In several extensions of the Standard Model of Particle Physics (SMPP), the neutrinos acquire electromagnetic properties such as the electric millicharge. Theoretical and experimental bounds have been reported in the literature for this parameter. In this work, we first carried out a statistical analysis by using data from reactor neutrino experiments, which include elastic neutrino-electron scattering (ENES) processes, in order to obtain both individual and combined limits on the neutrino electric millicharge (NEM). Then we performed a similar calculation to show a estimate of the sensitivity of future experiments of reactor neutrinos to the NEM, by involving coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CENNS). In the first case, the constraints achieved from the combination of several experiments are $-1.1 imes 10^{-12}e &lt; q_ν &lt; 9.3 imes 10^{-13}e$ ($90\%$ C.L.), and in the second scenario we obtained the bounds $-1.8 imes 10^{-14}e &lt; q_ν &lt; 1.8 imes 10^{-14}e$ ($90\%$ C.L.). As we will show here, these combined analyses of different experimental data can lead to stronger constraints than those based on individual analysis. Where CENNS interactions would stand out as an important alternative to improve the current limits on NEM.

연구 동기 및 목표

• 다양한 과거 및 현재의 반재료 중성미온-전자 산란(ENES) 실험 데이터를 융합하여 중성미온 전기 밀리전하(NEM)에 대한 제약을 향상시키는 것.
• 높은 신호 대 잡음 비율 잠재력을 지닌 CENNS 실험의 NEM에 대한 민감도를 평가하는 것.
• 기존 ENES 제약 및 천체물리학적 관측 결과와 비교하여 CENNS의 민감도가 NEM 제약에 있어 주요 탐사 수단으로서의 잠재력을 평가하는 것.
• 향후 CENNS 기반 NEM 제약에 영향을 미치는 시스템적 불확실성의 영향을 정량화하는 것, 특히 사건 스펙트럼에 대한 1% 및 3%의 불확실성 포함

제안 방법

• 다양한 ENES 실험(TEXONO, GEMMA 등 포함)의 데이터를 융합하기 위해 카이제곱($\Delta\chi^2$) 최소화 기법을 사용한 통계적 분석이 적용되어 NEM에 대한 통합 한계를 도출한다.
• 사건 스펙트럼의 통계적 및 시스템적 불확실성을 모두 고려하며, 시스템적 오차는 총 사건 수의 1% 및 3%로 모델링된다.
• 향후 CENNS 제안 사례에 대해서는 반재료 중성미온 원천에서 유도된 시뮬레이션된 사건 스펙트럼을 사용하여 민감도를 예측하며, 고에너지 해상도와 낮은 배경을 갖춘 검출기를 가정한다.
• 중성미온 전기 밀리전하는 우도 함수 내의 자유 매개변수로 간주되며, 90% 신뢰수준(C.L.) 간격은 $\Delta\chi^2 = 2.71$ 기준에서 유도된다.
• 개별 실험 결과와 통합 분석 결과를 비교하여 데이터 융합이 민감도 향상에 기여하는지를 평가한다.
• 분석에는 통계적 및 시스템적 오차 전파가 포함되며, 후자는 CENNS 제안의 최종 민감도 제약에 영향을 미친다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 ENES 실험의 다수를 융합한 분석을 통해 도출할 수 있는 중성미온 전기 밀리전하에 대한 가장 엄격한 제약은 무엇인가?
• RQ2 실제 시스템적 불확실성을 고려할 때, 향후 CENNS 실험의 중성미온 전기 밀리전하에 대한 민감도는 얼마나 되는가?
• RQ3 CENNS 실험은 현재 ENES 기반 제약보다 NEM 제약에 있어 더 높은 민감도를 확보할 수 있는가?
• RQ4 사건 스펙트럼의 시스템적 불확실성은 CENNS 실험의 NEM에 대한 예측 민감도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 다양한 ENES 실험의 통합 분석 결과, 90% C.L. 제약는 $-1.1\times 10^{-12}e < q_\nu < 9.3\times 10^{-13}e$로, GEMMA 실험의 개별 제약보다 더 엄격하다.
• 통계적 불확실성만을 고려한 향후 CENNS 실험의 경우, 90% C.L. 제약는 $-1.8\times 10^{-14}e < q_\nu < 1.8\times 10^{-14}e$로 예측된다.
• 사건 스펙트럼에 1%의 시스템적 불확실성을 포함할 경우, 90% C.L. 제약는 $-3.8\times 10^{-14}e < q_\nu < 3.8\times 10^{-14}e$로 확장된다.
• 3%의 시스템적 불확실성이 있을 경우, 제약는 $-9.0\times 10^{-14}e < q_\nu < 8.8\times 10^{-14}e$로 넓어지며, 민감도가 상당히 악화됨을 시사한다.
• CENNS 기반 제약는 현재 ENES 기반 제약보다 약 두 개의 지수 차수 더 민감하며, 향후 향상 가능성이 매우 높음을 시사한다.
• 결과는 CENNS 실험들이 시스템적 불확실성이 감소함에 따라 중성미온 전기 밀리전하를 제약하는 데 있어서 주요 방법이 될 수 있음을 시사한다.