[논문 리뷰] Hypothesis about semi-weak interaction and experiments with solar neutrinos

L. M. Slad|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 11.

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한 줄 요약

이 논문은 전자 중성미자가 태양 내에서 약 10회의 충돌을 겪고 편극성의 방향을 뒤바꾸며 에너지 스펙트럼이 수정되는 질량이 없는 편미분 스칼라 보손에 의해 매개되는 반약한 상호작용을 제안한다. 이 모델은 $^{37}$Cl, $^{71}$Ga, 탄성 산란 및 디우터론 분해 실험에서 관측된 태양 중성미자 플럭스와 매우 뛰어난 일치를 보이며, 단일 자유 매개변수를 가진 중성미자 진동의 대안을 제공한다.

ABSTRACT

A new concept is proposed to solve the solar neutrino problem, that is based on a hypothesis about the existence of semi-weak interaction of electron neutrinos with nucleons mediated by massless pseudoscalar bosons. Owing to about 10 collisions of a solar neutrino with nucleons of the Sun, the fluxes of left- and right-handed solar neutrinos at the Earth surface are approximately equal, and their spectrum is changed in comparison with the one at the production moment. The postulated model with one free parameter provides a good agreement between the calculated and experimental characteristics of the processes with solar neutrinos: ${}^{37}{ m Cl} ightarrow {}^{37}{ m Ar}$, ${}^{71}{ m Ga} ightarrow {}^{71}{ m Ge}$, $ν_{e} e^{-} ightarrow ν_{e} e^{-}$, and $ν_{e}D ightarrow e^{-}pp$.

연구 동기 및 목표

• 표준 태양 모델 예측과 실험 관측 간의 괴리점을 설명하기 위해 중성미자 진동에 의존하지 않고 새로운 상호작용 메커니즘을 제안함으로써 태양 중성미자 문제를 해결하는 것.
• 중성미자 진동에 의존하지 않고 $^{37}$Cl, $^{71}$Ga, 탄성 산란 및 디우터론 분해를 포함한 여러 태양 중성미자 실험에 대한 통합된 설명을 제공하는 것.
• 관측된 플럭스와 에너지 의존성은 태양의 비균일한 매질을 통한 중성미자 산란을 통해 반약한 상호작용에 의해 설명될 수 있음을 보여주는 것.
• 태양 내부에서의 관측된 중성미자 플럭스와 충돌 통계를 사용하여 제안된 상호작용의 결합 강도를 정량화하는 것.

제안 방법

• 전자 중성미자와 핵자 간에 질량이 없는 편미분 스칼라 보손에 의해 매개되는 반약한 상호작용을 제안하며, 이의 결합 상수의 곱은 $ g_{\nu_e ps}g_{N ps}/4\pi = (3.2 \pm 0.2) \times 10^{-5} $ 로 설정된다.
• 중성미자 전파를 약 10회의 충돌을 동반하는 짧은 기간의 브라운 운동으로 모델링하여 왼손자성과 오른손자성 상태 간의 편극성 전환이 일어나도록 한다.
• 중성미자-핵자 산란의 총 단면적은 에너지에 독립적이라 가정하여 에너지에 관계없이 충돌 수가 유지됨을 보장한다.
• 각 충돌당 에너지 손실은 $ \Delta\omega/\omega \simeq \omega/M $ 비례로 나타나며, 이는 태양을 빠져나올 무렵 중성미자 스펙트럼이 부드럽게 변하는 결과를 낳는다.
• 에너지 의존성 단면적을 고려하여 수정된 중성미자 스펙트럼을 통합하여 다양한 과정에 대한 효과적 플럭스를 계산한다.
• 이론적 예측된 반응률을 $^{37}$Cl, $^{71}$Ga, $\nu_e e^-$ 및 $\nu_e D$ 과정의 실험 데이터와 비교하여 모델의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성미자 진동에 의존하지 않고 $^{37}$Cl, $^{71}$Ga, 탄성 산란 및 디우터론 분해에서 관측된 태양 중성미자 플럭스는 한 가지 상호작용 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 태양 내에서 반복되는 중성미자-핵자 충돌이 중성미자 에너지 스펙트럼과 편극성 분포에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 다른 과정의 단면적 에너지 의존성이 수정된 중성미자 스펙트럼과 어떻게 상호작용하여 실험 반응률을 재현하는가?
• RQ4 관측된 태양 중성미자 데이터와 일치시키기 위해 필요한 새로운 반약한 상호작용의 결합 강도는 얼마인가?
• RQ5 현재의 진동 기반 모델은 왜 모든 태양 중성미자 과정 반응률에 대한 통합적이고 매개변수화된 계산을 제공하지 못하는가?

주요 결과

• 이론적 예측과 실험 데이터 사이에 양호한 일치가 $^{37}$Cl → $^{37}$Ar, $^{71}$Ga → $^{71}$Ge, $\nu_e e^-$ 산란 및 $\nu_e D \to e^- pp$ 과정에서 확인되었다.
• 태양 내 중성미자-핵자 충돌의 효과적 수는 약 10로 추정되며, 관측된 에너지 스펙트럼의 부드러움과 일치한다.
• 결합 상수의 곱 $ g_{\nu_e ps}g_{N ps}/4\pi $ 는 $ (3.2 \pm 0.2) \times 10^{-5} $ 로 결정되었으며, 전자기적 또는 약한 상호작용의 결합 상수보다 훨씬 작다.
• 충돌당 에너지 손실은 $ \omega/M $ 비례로 나타나며, 태양을 빠져나올 때 중성미자 총 에너지 감소는 약 0.3%로 표준 태양 모델의 이론적 불확도 범위 내에 들어간다.
• 다른 에너지 의존성의 단면적과 수정된 중성미자 스펙트럼이 결합되어 $^{8}$B 중성미자 과정 간의 효과적 플럭스 차이를 설명할 수 있다.
• 가설은 강력한 신뢰성을 지니며, 우연한 일치의 가능성은 무시할 수 없을 정도로 낮고, 중성미자 진동의 논리적으로 일관된 대안을 제공한다.