[논문 리뷰] Generic neutrino interactions with sterile neutrinos in light of neutrino-nucleus coherent scattering and meson invisible decays

Tong Li, Xiao-Dong Ma외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 저에너지 효과적 양자장이론(LNEFT)과 스터일리티 뉴트리노를 포함한 표준모형 효과적 양자장이론(SMNEFT)을 사용하여, CE$\nu$NS와 메손의 비가시 붕괴를 통해 스터일리티 뉴트리노 상호작용을 제약한다. 메손 붕괴는 뉴트리노의 $\tau$-플레버와 쿼크-뉴트리노 상호작용에서 $s$-쿼크 성분에 대해서만 민감한 탐지 수단임을 밝혀내며, 나머지 윌슨 계수에 대해서는 CE$\nu$NS가 가장 강력한 제약을 제공한다. 이에 따라 다양한 연산자에 대해 신물리 스케일 0.5–1.5 TeV 및 2.7–10 TeV의 새로운 물리 스케일을 도출한다.

ABSTRACT

In this work we study the current bounds from the CE$ u$NS process and meson invisible decays on generic neutrino interactions with sterile neutrinos in effective field theories. The interactions between quarks and left-handed SM neutrinos and/or right-handed neutrinos are first described by the low-energy effective field theory (LNEFT) between the electroweak scale and the chiral symmetry breaking scale. We complete the independent operator basis for the LNEFT up to dimension-6 by including both the lepton-number-conserving (LNC) and lepton-number-violating (LNV) operators involving right-handed neutrinos. We translate the bounds on the LNEFT Wilson coefficients from the COHERENT observation and calculate the branching fractions of light meson invisible decays. The bounds on LNEFT are then mapped onto the SM effective field theory with sterile neutrinos (SMNEFT) to constrain new physics above the electroweak scale. We find that the meson invisible decays can provide the only sensitive probe for $ au$ neutrino flavor component and $s$ quark component in the quark-neutrino interactions involving two (one) active neutrinos and for the effective operators without any active neutrino fields. The CE$ u$NS process places the most stringent bound on all other Wilson coefficients. By assuming one dominant Wilson coefficient at a time in SMNEFT and negligible sterile neutrino mass, the most stringent limits on the new physics scale are $2.7-10$ TeV from corresponding dipole operator in LNEFT and $0.5-1.5$ TeV from neutrino-quark operator in LNEFT.

연구 동기 및 목표

• 저에너지 효과적 양자장이론(LNEFT)에서 차원-6까지의 독립적인 연산자 기저를 완성하여, 오른쪽 뉴트리노를 포함한 렙톤수 보존 및 위반 연산자를 포함한다.
• CE$\nu$NS 실험과 메손 비가시 붕괴에서 유도된 제약을 LNEFT 윌슨 계수에 적용한다.
• LNEFT 제약을 스터일리티 뉴트리노를 포함한 표준모형 효과적 양자장이론(SMNEFT)으로 매핑하여 전자약 스케일 이상의 새로운 물리 현상을 탐색한다.
• 스터일리티 뉴트리노 상호작용에서 특정 뉴트리노 플레버와 쿼크 성분에 대해 가장 민감한 탐지 수단을 규명한다.
• 한 번에 하나의 주요 윌슨 계수만 존재하고 스터일리티 뉴트리노 질량이 무시 가능하다는 가정 하에, 새로운 물리 스케일에 대한 정량적 제약을 유도한다.

제안 방법

• 좌측 스모드 뉴트리노, 우측 뉴트리노, 쿼크를 포함한 LNEFT에서 차원-6 연산자 기초를 구성하며, 렙톤수 보존(LNC) 및 위반(LNV) 상호작용을 모두 포함한다.
• COHERENT 실험에서의 공명 뉴트리노-핵 반응(CE$\nu$NS) 데이터를 사용하여 LNEFT 윌슨 계수를 제약한다.
• 경량 메손의 비가시 붕괴(예: $K^+ \to \mu^+ \nu_\mathrm{inv}$)의 붕괴 분율을 계산하여 LNEFT 매개변수에 대한 추가 제약을 추출한다.
• 유도된 LNEFT 제약을 SMNEFT 프레임워크로 매핑하여 전자약 스케일 이상의 새로운 물리 스케일에 대한 제약로 해석한다.
• 스터일리티 뉴트리노 질량이 무시 가능하고, 한 번에 하나의 주요 윌슨 계수만 존재한다는 가정 하에 체계적인 분석을 수행하여 보수적인 새로운 물리 스케일 제약을 유도한다.
• 스터일리티 뉴트리노를 포함한 SMEFT 프레임워크를 적용하여 결과를 효과적 결합 상수와 그 에너지 스케일 감쇠로 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스터일리티 뉴트리노 상호작용에서 뉴트리노의 $\tau$-플레버와 쿼크-뉴트리노 상호작용에서 $s$-쿼크 성분에 대해 가장 민감한 탐지 수단은 무엇인가?
• RQ2 CE$\nu$NS와 메손 비가시 붕괴는 LNEFT의 차원-6 연산자 윌슨 계수에 어떻게 제약을 가하는가?
• RQ3 SMNEFT에서 한 개의 주요 윌슨 계수만 존재할 경우, 새로운 물리 스케일에 대한 결과적 제약는 무엇인가?
• RQ4 렙톤수 보존 및 위반 연산자가 스터일리티 뉴트리노 존재 하에서 제약에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 다양한 쿼크-뉴트리노 상호작용 성분에 대해 메손 비가시 붕괴와 CE$\nu$NS의 상대적 민감도는 어떻게 다른가?

주요 결과

• 메손 비가시 붕괴는 활성 뉴트리노 한 개 또는 두 개를 포함한 쿼크-뉴트리노 상호작용에서 뉴트리노의 $\tau$ 뉴트리노 플레버 성분과 $s$ 쿼크 성분에 대해 유일하게 민감한 탐지 수단이다.
• COHERENT 실험에서의 CE$\nu$NS 과정은 LNEFT 프레임워크에서 나머지 모든 윌슨 계수에 대해 가장 강력한 제약를 제공한다.
• 한 번에 하나의 주요 윌슨 계수만 존재하고 스터일리티 뉴트리노 질량이 무시 가능하다는 가정 하에, LNEFT에서 디폴드 연산자에 대해 가장 강력한 제약는 2.7–10 TeV 범위의 새로운 물리 스케일을 의미한다.
• LNEFT의 뉴트리노-쿼크 연산자에 대해서는 가장 강력한 제약가 0.5–1.5 TeV 범위의 새로운 물리 스케일을 제공한다.
• 활성 뉴트리노 필드를 포함하지 않는 연산자 역시 제약를 받으며, 이러한 경우 메손 비가시 붕괴가 주요 탐지 수단이 된다.
• 분석 결과, 메손 붕괴는 CE$\nu$NS로는 탐지되지 않는 특정 플레버와 쿼크 성분에 대해 유일하게 민감하며, 스터일리티 뉴트리노 탐색에서 상호보완적인 역할을 한다는 점을 입증한다.