[논문 리뷰] Constraints on the non-standard interaction in propagation from atmospheric neutrinos

Shinya Fukasawa, Osamu Yasuda|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 27.

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한 줄 요약

이 논문은 슈퍼카이オ칸데(SK)와 향후 하이퍼카이오칸데(HK) 데이터를 이용하여 대기 중 뉴트리노 전파에서 비표준 상호작용(NSIs)을 제약한다. flavor에 의존하는 NSI 매개변수 εee, εeτ, εττ를 가정하며, εττ ≈ |εeτ|²/(1+εee)로 제약한다. SK 데이터는 2.5σ 신뢰수준에서 |tanβ| ≡ |εeτ/(1+εee)| ≲ 0.8을 제약하며, HK는 이 한계를 ≲ 0.3으로 향상시킬 것으로 기대된다. 에너지 스펙트럼 분석을 통해 εee와 |εeτ|에 대한 더욱 강력한 제약이 가능하다.

ABSTRACT

The sensitivity of the atmospheric neutrino experiments to the non-standard flavor-dependent interaction in neutrino propagation is studied under the assumption that the only nonvanishing components of the non-standard matter effect are the electron and tau neutrino components $ε_{ee}$, $ε_{eτ}$, $ε_{ττ}$ and that the tau-tau component satisfies the constraint $ε_{ττ}=|ε_{eτ}|^2/(1+ε_{ee})$ which is suggested from the high energy behavior for atmospheric neutrino data. It is shown that the Superkamiokande (SK) data for 4438 days constrains $| anβ|\equiv|ε_{eτ}/(1+ε_{ee})|\lesssim 0.8$ at 2.5$σ$ (98.8\%) CL whereas the future Hyperkamiokande experiment for the same period of time as SK will constrain as $| anβ|\lesssim 0.3$ at 2.5$σ$CL from the energy rate analysis and the energy spectrum analysis will give even tighter bounds on $ε_{ee}$ and $|ε_{eτ}|$.

연구 동기 및 목표

• 대기 중 뉴트리노 데이터를 이용하여 뉴트리노 전파에서 flavor에 의존하는 비표준 상호작용(NSIs)을 제약하는 것.
• 슈퍼카이오칸데(SK)와 향후 하이퍼카이오칸데(HK) 실험의 NSI 매개변수 εee, εeτ, εττ에 대한 민감도를 평가하는 것.
• 고에너지 대기 중 뉴트리노 데이터의 행동이 NSI 매개변수 제약에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 에너지 스펙트럼 및 레이트 분석이 NSI 민감도 향상에 기여하는 방식, 특히 뉴트리노와 반뉴트리노 간의 상쇄 간섭을 완화하는 데서의 역할을 평가하는 것.
• HK가 NSI 매개변수를 측정하고 표준모형을 초월한 물리학을 탐색하는 데의 잠재력을 탐색하는 것.

제안 방법

• εee, εeτ, εττ 중 비영인 경우만 고려하는 단순화된 NSI 매질 잠재력 행렬을 가정하며, 고에너지 대기 중 뉴트리노 데이터 기반으로 εττ = |εeτ|²/(1+εee)의 제약 조건을 적용한다.
• NSI 효과를 포함한 수정된 매질 잠재력 행렬 A를 사용하여 뉴트리노의 지구 내 전파를 디랙 방정식으로 기술한다.
• 모의 및 실제 대기 중 뉴트리노 데이터에 대해 χ² 분석을 수행하며, 관측된 사건 레이트와 에너지 스펙트럼을 NSI 모델과 표준 진동 모델 예측과 비교한다.
• SK 및 HK에 대해 에너지 레이트 및 에너지 스펙트럼 데이터를 별도로 분석하며, 후자는 4438일의 노출 시간을 가정한다.
• 2.5σ 신뢰수준 기준(자유도 2개일 때 Δχ² = 8.8)을 적용하여 (εee, |εeτ|) 매개변수 공간 내 允가 가능한 영역을 결정한다.
• 뉴트리노-반뉴트리노 간섭의 영향과 HK에서 뉴트리노와 반뉴트리노를 구분할 수 있을 경우의 향상 가능성 고려.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 슈퍼카이오칸데 대기 중 뉴트리노 데이터로부터 현재 |εeτ/(1+εee)| 매개변수에 대한 제약은 무엇인가?
• RQ2 하이퍼카이오칸데의 NSI 매개변수에 대한 민감도는 슈퍼카이오칸데에 비해 어떻게 다를까?
• RQ3 레이트 분석에 비해 에너지 스펙트럼 분석이 NSI 제약에 얼마나 향상되는가?
• RQ4 뉴트리노와 반뉴트리노 간의 상쇄 간섭은 NSI 민감도에 어떤 영향을 미치며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ5 다양한 뉴트리노 질량 계단에서 HK에서 εee 및 |εeτ|를 측정할 수 있는 정밀도는 기대되는가?

주요 결과

• 4438일 동안의 슈퍼카이오칸데 데이터는 2.5σ 신뢰수준에서 |tanβ| ≡ |εeτ/(1+εee)| ≲ 0.8을 제약한다 (98.8% 신뢰수준).
• 하이퍼카이오칸데는 에너지 레이트 분석을 통해 이 한계를 |tanβ| ≲ 0.3으로 향상시킬 것으로 예상된다.
• HK에서의 에너지 스펙트럼 분석은 더욱 강력한 제약을 제공한다: 정상 계단일 경우 -0.1 ≲ εee ≲ 0.2 및 |εeτ| < 0.08 (2.5σ 신뢰수준).
• 역계단일 경우, HK 에너지 스펙트럼 분석은 εee에 대해 -0.4 ≲ εee ≲ 1.2 및 |εeτ| < 0.34 (2.5σ 신뢰수준)로 제약한다.
• |εee| ≳ 2 또는 역계단일 경우 뉴트리노-반뉴트리노 간섭이 발생하면 NSI 매개변수에 대한 민감도가 크게 감소한다.
• 하이퍼카이오칸데에서 뉴트리노와 반뉴트리노를 구분할 수 있도록 계획되어 있음에 따라, 상쇄 간섭을 피함으로써 NSI 민감도가 크게 향상될 것이다.