[논문 리뷰] Neutrino Electromagnetic Properties and the Weak Mixing Angle at the LHC Forward Physics Facility

Roshan Mammen Abraham, Saeid Foroughi-Abari외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LHC 포워드 물리 시설(FPF)이 양성자-양성자 충돌에서 생성되는 고에너지 포워드 중성미자들을 이용해 중성미자의 전자기적 성질—밀리전하, 자기모멘트, 전하 반경—을 탐색할 수 있다고 제안한다. 저작력이 작은 전자 산란 및 중성미자 깊이 있는 비탄성 산란(NDIS) 사건을 분석함으로써, FPF는 전자 중성미자의 전하 반경에 대해 세계에서 가장 민감한 한계를 설정하고 타우 중성미자의 자기모멘트에 대해 DONUT의 결과를 향상시킬 수 있으며, Q ~ 10 GeV에서 약 3%의 정밀도로 약한 혼합 각도를 측정할 수 있다.

ABSTRACT

The LHC produces an intense beam of highly energetic neutrinos of all three flavors in the forward direction, and the Forward Physics Facility (FPF) has been proposed to house a suite of experiments taking advantage of this opportunity. In this study, we investigate the FPF's potential to probe the neutrino electromagnetic properties, including neutrino millicharge, magnetic moment, and charge radius. We find that, due to the large flux of tau neutrinos at the LHC, the FPF detectors will be able to provide more sensitive constraints on the tau neutrino magnetic moment and millicharge than previous measurements at DONUT, by searching for excess in low recoil energy electron scattering events. We also find that, by precisely measuring the rate of neutral current deep inelastic scattering events, the FPF detectors have the potential to obtain the strongest experimental bounds on the neutrino charge radius for the electron neutrino, and one of the leading bounds for the muon neutrino flavor. The same signature could also be used to measure the weak mixing angle, and we estimate that $\sin^2 θ_W$ could be measured to about $3\%$ precision at a scale $Q \sim 10$ GeV, shedding new light on the longstanding NuTeV anomaly.

연구 동기 및 목표

• LHC 포워드 물리 시설(FPF)이 밀리전하, 자기모멘트, 전하 반경과 같은 중성미자의 전자기적 성질을 탐색할 잠재력을 평가하는 것.
• FPF가 기존 실험적 한계를 향상시킬 수 있는지, 특히 이전에 제약이 거의 없는 타우 중성미자에 대해 평가하는 것.
• FPF가 장기적인 NuTeV 이면을 해결하는 데 기여할 수 있는 높은 정밀도로 약한 혼합 각도를 측정할 수 있는지 탐색하는 것.
• FPF 검출기가 저작력이 작은 전자 산란 및 중성미자 깊이 있는 비탄성 산란(NDIS) 사건에 대해 중성미자 성질을 탐색하는 데 얼마나 민감한지 평가하는 것.
• 미래 FPF 데이터를 효과적인 중성미자 전자기 결합 및 전자약력 파rameter로 해석할 수 있는 현상학적 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• LHC에서의 양성자-양성자 충돌에서 생성되는 테바 스케일 중성미자들의 고포워드 플럭스를 활용한다. 주로 메손 붕괴에서 기인한다.
• 저작력이 작은 전자 산란 사건을 분석하여 중성미자 자기모멘트와 밀리전하를 탐색하며, 특히 타우 중성미자에 대한 민감도 향상을 활용한다.
• 중성미자 깊이 있는 비탄성 산란(NDIS) 사건을 분석하여 중성미자 전하 반경에 대한 제약을 도출하고 약한 혼합 각도를 측정한다.
• 효과적 장 이론(EFT) 형식을 사용하여 중성미자 전자기 상호작용을 모델링한다. 밀리전하에 대해서는 차원-6 연산자, 자기모멘트에 대해서는 차원-5 연산자, 전하 반경에 대해서는 차원-6 연산자를 사용한다.
• 실제 루미노시티와 배경 제거 능력을 가정한 FPF 검출기의 응답 모델을 사용하여 몬테카를로 시뮬레이션과 민감도 추정을 수행한다.
• 측정된 NDIS 사건 빈도를 Q ~ 10 GeV에서의 약한 혼합 각도 sin²θW에 대한 정밀한 한계로 변환한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FPF는 특히 이전에 제약이 거의 없는 타우 중성미자에 대해 경쟁적인 민감도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 FPF에서 전자 중성미자의 전하 반경에 대해 예측되는 한계는 무엇이며, 이는 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 DONUT에 비해 FPF는 타우 중성미자의 자기모멘트와 밀리전하에 대해 얼마나 향상된 제약을 제공할 수 있는가?
• RQ4 FPF는 Q ~ 10 GeV에서 약한 혼합 각도 sin²θW를 약 3%의 정밀도로 측정할 수 있으며, 이는 NuTeV 이면을 해결하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ5 FPF가 중성미자 깊이 있는 비탄성 산란(NDIS) 사건을 탐색하는 능력이, 뮌 중성미자와 전자 중성미자의 전하 반경에 대해 어떻게 제약을 제공하는가?

주요 결과

• FPF는 전자 중성미자의 전하 반경에 대해 세계에서 가장 강력한 실험적 한계를 설정할 수 있으며, 표준모형 예측에 매우 가까운 민감도를 확보한다.
• 뮤온 중성미자에 대해서는 전하 반경에 대해 세계적으로 선도적인 제약 중 하나를 확보하며, 표준모형 값과 몇 배 정도의 오차 내에 있다.
• FPF는 DONUT 실험 대비 타우 중성미자의 자기모멘트에 대해 약 10배 이상 민감도를 향상시킨다.
• FPF는 이전에 제약이 없었던 타우 중성미자의 밀리전하와 전하 반경에 대해 세계적으로 경쟁 가능한 제약를 제공하는 첫 번째 시설이다.
• FPF는 Q ~ 10 GeV에서 약한 혼합 각도 sin²θW를 약 3%의 정밀도로 측정할 수 있으며, 이는 NuTeV 이면을 해결할 잠재적 해법을 제공한다.
• FPF에서의 중성미자 깊이 있는 비탄성 산란(NDIS) 사건 빈도는 높은 정밀도로 전자약력 파rameter를 추출하는 데 사용될 수 있으며, 테바 스케일 영역에서 약한 혼합 각도를 새로운 방식으로 탐색할 수 있게 한다.