[논문 리뷰] Interpretation of the XENON1T excess in the model with decaying sterile neutrinos

V. V. Khruschov|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 06.

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한 줄 요약

이 논문은 XENON1T 실험에서 1–7 keV 범위에서 관측된 전자 반발 과잉 현상이 질량 3.4 keV와 7.6 keV인 두 개의 비활성 중성자소가 붕괴하여 생성한 어둠의 보존이 전자와 상호작용함으로써 발생한다고 제안한다. 이 과정에서 에너지 스펙트럼상 약 1.7 keV, 3 keV, 3.8 keV에 세 개의 별도의 피크가 나타나며, 이는 어둠의 영역 물리학과 관련된 통합적 설명을 제공한다. 모델은 안정된 1.1 eV 비활성 중성자소와 광자와의 미세한 운동 혼합을 가정하여 XENON1T 이면 현상과 단기거리 중성자소 이면 현상을 동시에 설명한다.

ABSTRACT

The phenomenological model with three active and three sterile neutrinos is used for interpretation of the observed XENON1T excess of electronic recoil events in the 1 -- 7 keV energy region. Assuming two sterile neutrinos with appropriate mass values decay while the third sterile neutrino is stable it is possible to explain the observed energy spectrum of electronic recoil events. Moreover using this approach three peaks in the 1 -- 7 keV energy region are predicted. Dark bosons have to mix to only a small extent with photons which can be emitted in this region. The possible existence of the three light sterile neutrinos may have perceptible influence on some phenomena in neutrino physics, astrophysics and cosmology.

연구 동기 및 목표

• XENON1T 실험에서 관측된 1–7 keV 에너지 범위 내 전자 반발 사건 과잉 현상을 설명하기 위해.
• XENON1T 과잉 현상이 비활성 중성자소가 어둠의 보존으로 붕괴한 후 전자와의 상호작용으로 기인할 수 있는지 조사하기 위해.
• 두 비활성 중성자소가 붕괴하고 하나는 안정된 (3+1+2) 중성자소 모델—세 개의 활성 중성자소와 세 개의 비활성 중성자소—의 타당성을 시험하기 위해.
• XENON1T 이면 현상, 단기거리 중성자소 이면 현상, 천체물리적 영향 간의 연관성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 세 개의 활성 중성자소와 세 개의 비활성 중성자소를 포함하는 (3+1+2) 중성자소 모델을 채택하며, 이 중 두 비활성 중성자소(m₅ = 3.4 keV, m₆ = 7.6 keV)가 어둠의 보존으로 붕괴한다.
• 세 번째 비활성 중성자소(m₄ = 1.1 eV)는 안정되어 있으며 암흑물질 성분의 주요 기여를 한다고 가정한다.
• 어둠의 보존과 광자 간의 미세한 운동 혼합을 도입하여 keV 범위의 감지 가능한 전자기 신호를 가능하게 한다.
• 비활성 중성자소 붕괴에서 생성된 어둠의 보존과의 전자 산란을 통해 전자 반발을 모델링한다.
• 중성자소 혼합을 기술하기 위해 Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS) 행렬을 사용하며, δCP = 1.2π인 정상적인 중성자소 질량 순서를 가정한다.
• 붕괴 운동역학과 어둠의 보존 성질에 기반하여 전자 반발 에너지 스펙트럼상 1.7 keV, 3 keV, 3.8 keV에 세 개의 별도 피크를 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 XENON1T의 1–7 keV 범위 내 전자 반발 과잉 현상은 비활성 중성자소가 어둠의 보존으로 붕괴함으로써 설명될 수 있는가?
• RQ2 (3+1+2) 모델에서 두 비활성 중성자소가 붕괴할 경우 전자 반발 스펙트럼상 예측되는 특정 에너지 피크는 무엇인가?
• RQ3 안정된 1.1 eV 비활성 중성자소의 포함이 ΔNeff와 H₀ 갈등과 같은 천체물리적 파rameter에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 이 모델은 LSND, 반응로, 갈륨 이면 현상과 같은 단기거리 중성자소 이면 현상을 동시에 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 비활성 중성자소 질량 3.4 keV와 7.6 keV의 붕괴로 인해 약 1.7 keV, 3 keV, 3.8 keV에 세 개의 별도 피크를 예측하며, 이는 전자 반발 에너지 스펙트럼상 나타난다.
• 3.4 keV와 7.6 keV 비활성 중성자소는 어둠의 보존으로 붕괴하며, 이후 약한 상호작용을 통해 전자 반발을 유도하여 관측된 과잉 현상을 설명한다.
• 안정된 1.1 eV 비활성 중성자소 상태는 효과적인 상대론적 입자 종류 수(ΔNeff)에 기여하며, 이는 천체물리적 제약과 H₀ 갈등에 영향을 줄 수 있다.
• 어둠의 보존과 광자 간의 미세한 운동 혼합 덕분에 keV 범위의 감지 가능한 전자기 신호가 가능하며, 이는 XENON1T의 감도와 일치한다.
• 동일한 비활성 중성자소 영역 덕분에 이 모델은 단기거리 중성자소 이면 현상(LSND, 반응로, 갈륨)을 동시에 설명할 수 있다.
• 미래의 실험, 예를 들어 PandaX-4T, LZ, XENONnT는 1–7 keV 영역 내 예측된 스펙트럼 피크를 검증할 수 있다.