[논문 리뷰] Examining the sensitivity of FASER to Generalized Neutrino Interactions

F. J. Escrihuela, L. J. Flores외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 29.

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 FASERν 실험에서 일반화된 중성미자 상호작용(GNI)에 대한 민감도를 조사하며, 스칼라, 벡터, 아르키메데스-벡터, 편미분스칼라, 텐서 결합을 모델링하기 위해 효과적 장 이론 프레임워크를 사용한다. FASERν는 중성미자-핵합성 깊은 비탄성 산란에서 GNI 효과적 결합에 대해 엄격한 제약 조건을 도출하며, 중성미자 전류의 경우 CHARM 및 CDHS 실험과 유사한 민감도를 보이고, 특히 뮤온 및 전자 중성미자 채널과 벡터/아르키메데스-벡터 상호작용의 경우 경쟁 가능한 민감도를 확보한다.

ABSTRACT

We investigate the sensitivity of the FASER$ν$ detector, a novel experimental setup at the LHC, to probe and constrain generalized neutrino interactions (GNI). Employing a comprehensive theoretical framework, we model the effects of generalized neutrino interactions on neutrino-nucleon deep inelastic scattering processes within the FASER$ν$ detector. By considering all the neutrino channels produced at the LHC, we perform a statistical analysis to determine the sensitivity of FASER$ν$ to constrain these interactions. Our results demonstrate that FASER$ν$ can place stringent constraints on the GNI effective couplings. Additionally, we study the relation between GNI and a minimal Leptoquark model where the SM is augmented by a singlet Leptoquark with hypercharge $1/3$. We have found that the sensitivities for various combinations of the Leptoquark Yukawa couplings are approximately $\mathcal{O}(1)$, particularly when considering a Leptoquark mass in the TeV range.

연구 동기 및 목표

• GNI의 민감도를 스칼라, 편미분스칼라, 벡터, 아르키메데스-벡터, 텐서 결합을 포함하여 평가하는 것.
• 비표준 상호작용(NSI)을 넘어서 효과적 장 이론 프레임워크 내에서 가능한 모든 로렌츠 구조를 포함하여 분석하는 것.
• 레프토쿼크 모델의 맥락에서 뉴트리노 부문의 새로운 물리 현상 탐색 가능성을 평가하는 것.
• FASERν의 예측 제약 조건을 CHARM 및 CDHS 실험의 기존 실험 제약과 비교하는 것.
• 하이퍼전하 1/3인 최소 단일 렙토쿼크 모델과의 연결 고리에 초점을 맞추어, GNI 매개변수와 렙토쿼크 요하다 쌍의 제약 조건을 탐색하는 것.

제안 방법

• 모든 가능한 로렌츠 구조(스칼라, 편미분스칼라, 벡터, 아르키메데스-벡터, 텐서 상호작용)를 포함하는 일반적인 4 Fermi 장 라그랑지안을 사용한 효과적 장 이론(EFT) 프레임워크를 적용한다.
• FASERν의 운동역학적 및 검출기 수용 범위에 적합한, 충전형인 전류(CC) 및 중성형인 전류(NC) 중성미자-핵합성 깊은 비탄성 산란 과정의 미분 단면적을 계산한다.
• 모의 FASERν 이벤트 샘플을 사용한 통계 분석을 통해 GNI 효과적 결합에 대한 90% 신뢰수준(CL) 제약 조건을 유도한다.
• 모든 중성미자 종류를 통합하고, 에너지 해상도 및 수용 범위 컷을 포함한 FASERν 검출기 전체의 반응을 고려한다.
• GNI 매개변수 공간을 하이퍼전하 1/3인 최소 $S_1$ 렙토쿼크 모델으로 매핑하여, GNI 결합을 렙토쿼크 요하다 쌍에 연결한다.
• FASERν 제약 조건을 CHARM 및 CDHS 실험의 기존 제약 조건과, 동일한 렙토쿼크 모델에 대한 LZ 실험의 제약 조건과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FASERν는 충전형인 전류(CC) 및 중성형인 전류(NC) 과정에서 스칼라, 벡터, 아르키메데스-벡터, 텐서, 편미분스칼라를 포함한 모든 로렌츠 구조에 대해 일반화된 중성미자 상호작용(GNI)에 대해 어떤 예측 민감도를 보이는가?
• RQ2 GNI 결합에 대한 제약 조건은 전자, 뮤온, 타우 중성미자 종류와 상호작용 유형에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 하이퍼전하 1/3인 최소 $S_1$ 렙토쿼크 모델의 매개변수 공간을 FASERν는 어느 정도 제약할 수 있는가?
• RQ4 FASERν의 GNI 결합에 대한 예측 한계는 기존 CHARM 및 CDHS 실험의 한계와 정량적으로 어떻게 비교되는가?
• RQ5 FASERν의 민감도는 특히 벡터 및 아르키메데스-벡터 상호작용의 맥락에서 중성미자와 쿼크에 대한 렙토쿼크 결합을 탐색하는 데 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• FASERν는 GNI 효과적 결합에 대해 엄격한 제약 조건을 도출하며, 특히 벡터 및 아르키메데스-벡터 상호작용에 대해 가장 높은 민감도를 보이고, 그 다음으로 텐서 상호작용에 대해 높은 민감도를 보인다.
• 가장 민감한 GNI 매개변수는 뮤온 및 전자 중성미자에 결합하는 것으로, 타우 중성미자에 대한 결합은 상대적으로 훨씬 덜 제약된다.
• 중성형인 전류 과정에서 FASERν의 민감도는 CHARM 및 CDHS 실험과 유사하며, CHARM/CDHS 병합 데이터에 비해 약 3배 정도 낮은 제약 조건을 가진다.
• 최소 $S_1$ 렙토쿼크 모델에서 FASERν는 1000 GeV 렙토쿼크 질량에서 왼쪽 및 오른쪽 요하다 결합의 곱인 $y^{L}_{d u}y^{R}_{d u}$ 를 $Ó(1)$ 수준으로 제약한다. 이는 LZ 실험과 유사한 민감도를 보인다.
• GNI 결합의 $y^{L}_{d u}y^{R}_{d u}$ 곱에 대한 제약 조건은 뮤온 중성미자 상호작용에서 가장 강력하고, 타우 중성미자에서 가장 약하다. 이는 GNI 패tern과 일치한다.
• 분석 결과 FASERν는 특히 벡터 및 아르키메데스-벡터 상호작용에서 뉴트리노 및 다운 쿼크에 대한 렙토쿼크 결합을 직접 암흑물질 탐색과 유사한 민감도로 탐색할 수 있음을 보여준다.