[논문 리뷰] Lepton Number Violating Electron Recoils at XENON1T by the $U(1)_{B-L}$ Model with Non-Standard Interactions

Y. Gao, Tianjun Li|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 30.

Neutrino Physics Research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 $SU(3)_C \times SU(2)_L \times U(1)_Y \times U(1)_{B-L}$ 모델을 제안하며, $U(1)_{B-L}$ 대칭의 자발적 비대칭화가 타입-I 시즈모 메커니즘을 통해 중성미오 질량을 생성하고, 이를 통해 가벼운 매개자가 생성되어 비표준 렙톤 수 위반 상호작용을 유도한다. 이러한 상호작용은 XENON1T 실험에서 관측된 초과와 일치하는 keV 에너지 범위의 전자 반동을 유도한다.

ABSTRACT

We propose an $SU(3)_C imes SU(2)_L imes U(1)_{Y} imes U(1)_{B-L}$ model, in which the neutrino masses and mixings can be generated via Type-I seesaw mechanism after $U(1)_{B-L}$ breaking. A light mediator emerges and leads to non-standard interactions leptons which violate the lepton number. We show that these non-standard interactions leads to low energy recoil events that is consistent with the observed KeV range electron recoil excess at the XENON1T experiment. Observational bounds on the non-standard couplings are discussed.

연구 동기 및 목표

• XENON1T 실험에서 관측된 설명되지 않은 keV 스케일의 전자 반동 초과를 설명하기 위해.
• 비표준 상호작용을 통한 렙톤 수 위반으로 인해 초과가 설명될 수 있는지 탐구하기 위해.
• 표준모형의 재규격화 가능한 $U(1)_{B-L}$ 확장으로서, 시즈모 메커니즘을 통해 중성미오 질량을 생성하는 모델을 구축하기 위해.
• 모델에서 유도된 비표준 쌍체 상호작용에 대한 관측 제약 조건을 도출하기 위해.

제안 방법

• 자발적 $U(1)_{B-L}$ 비대칭화를 가진 $SU(3)_C \times SU(2)_L \times U(1)_Y \times U(1)_{B-L}$ 게이지 군을 가정한다.
• 중성미오 질량 생성을 위해 무거운 오른쪽 수성 중성미오를 도입한다.
• 렙톤 수 위반 상호작용을 매개하는 가벼운 $Z'$-유사 게이지 보손을 매개체로 식별한다.
• 레프톤과 가벼운 매개체 간의 효과적 상호작용을 유도하여 렙톤 수 위반 전자 반동을 생성한다.
• 이러한 비표준 상호작용으로 인한 XENON1T에서의 미분 반동률을 계산한다.
• 실험적 제약 조건을 적용하여 매개체의 비표준 쌍체 상호작용를 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 keV 범위의 XENON1T 전자 반동 초과는 $U(1)_{B-L}$ 모델 내에서 렙톤 수 위반 상호작용으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 $U(1)_{B-L}$ 비대칭화가 중성미오 질량 생성과 가벼운 매개체 생성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 가벼운 $Z'$ 보손으로 매개되는 비표준 상호작용은 저에너지 전자 반동 신호에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 XENON1T 데이터로부터 비표준 쌍체 상호작용에 대한 타당한 파rameter 공간 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 관측된 반동 초과는 시즈모 메커니즘으로 생성된 중성미오 질량을 포함하는 $U(1)_{B-L}$ 모델과 일관되는가?

주요 결과

• 모델은 $U(1)_{B-L}$ 대칭의 자발적 비대칭화 이후 타입-I 시즈모 메커니즘을 통해 중성미오 질량을 성공적으로 생성한다.
• 가벼운 게이지 보손(매개체)이 $U(1)_{B-L}$ 비대칭화에서 유도되며, 렙톤 수 위반 상호작용을 매개한다.
• 이러한 비표준 상호작용은 XENON1T 초과와 일치하는 keV 에너지 범위의 전자 반동 사건을 생성한다.
• 모델의 반동 스펙트럼 예측은 실험적 불확도 내에서 관측된 데이터와 일치한다.
• 비표준 쌍체 상호작용에 대한 관측 제약 조건이 도출되었으며, 모델의 매개변수 공간을 제약한다.
• 이 프레임워크는 새로운 가벼운 어둠의 물질 후보를 요구하지 않고도 XENON1T 이상 현상에 타당한 설명을 제공한다.