[논문 리뷰] Neutrino Flavor Transformations from New Short-Range Forces

B. J. P. Jones, J. Spitz|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 14.

Neutrino Physics Research참고 문헌 24인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 뉴트리노 간에 새로운 경량 보손이 매개하는 비일반적인 단거리 힘에 의해, 정지된 뮤온에서 붕괴하는 데서 발생하는 뉴트리노와 반뉴트리노가 동시에 생성되는 시스템에서의 풍미 변화 위상이 유도될 수 있음을 제안한다. 이러한 위상은 $\bar{\nu}_\mu$ 상태가 $\bar{\nu}_e$-유사 상태로 변환되는 관측 가능한 전이를 일으키며, 스테일러 뉴트리노를 요구하지 않으면서도 LSND 이질현상에 타당한 설명을 제공한다. 향후 JSNS 2와 OscSNS와 같은 DAR 실험들은 이 효과를 고감도로 검증할 수 있다.

ABSTRACT

We examine the commonly explored beyond-standard-model physics scenario of secret neutrino forces, and point out a model prediction that appears to have been overlooked: the generation of unique flavor-changing effects in experiments featuring decay-at-rest (DAR) neutrino sources. These flavor changes occur because the decay that drives neutrino and antineutrino production, $μ^{+} ightarrow e^+ +\barν_μ+ν_{e}$, is unique in producing two neutrinos in the final state. Any non-flavor-universal force between the emerging neutrinos would thus induce a new oscillation phase as they escape from each-other's potential wells, an effect which is largely absent in experiments that primarily rely on meson decay-in-flight and nuclear decay. We calculate the magnitude of the associated observable and compare it to the anomalous neutrino flavor transformation seen by the LSND experiment, finding a wide but constrained allowed parameter space. We also evaluate existing limits from other experiments, and the testability of this new effect at the future DAR programs JSNS$^2$ and OscSNS.

연구 동기 및 목표

• 뉴트리노 간 비일반적인 단거리 힘에 의해 유도되는, 정지된 뮤온에서 붕괴하는 데서 발생하는 뉴트리노 원천에서 간과되었을 수 있는 풍미 변화 효과를 탐색한다.
• 스테일러 뉴트리노 가설을 피하면서도 다른 진동 실험들과 일관성을 유지하는 메커니즘을 제안하여 LSND 이질현상을 해결한다.
• 이 메커니즘이 향후 출시 예정인 DAR 실험, 예를 들어 JSNS 2와 OscSNS에서 검증 가능함을 평가한다.
• 기존 실험 제약 조건을 회피하면서도 LSND 신호를 재현할 수 있는 뉴트리노 힘의 매개변수 공간을 정량화한다.
• 이 메커니즘이 스테일러 뉴트리노 설명과 같은 다른 초표준모형 이론적 설명과 어떻게 다를 수 있는지 구분한다.

제안 방법

• 비타민-반비타민 붕괴에서 생성된 뉴트리노와 반뉴트리노 간의 효과적 포텐셜을 질량을 가진 매개입자와의 유크라 타입 상호작용으로 모델링한다.
• 비일반적인 결합으로 인한 에너지 차이의 적분을 통해 상호작용 포텐셜에 의해 유도된 뉴트리노 전파의 위상 이동을 계산한다.
• 표준 뉴트리노 진동 위상 공식 $\theta_{ij} \triangleq \frac{\Delta m_{ij}^2 L}{2E}$를 비틀림에 의한 에너지 이동을 포함하도록 확장한다.
• 유한한 범위를 가진 새로운 힘에 의해 유도되는 위상 이동의 척도를 모델링하기 위해 비완전 감마 함수를 적용한다.
• JSNS 2와 OscSNS의 신호 및 배경 스펙트럼을 시뮬레이션하며, 내재된 $\bar{\nu}_e$ 오염을 부수적인 변수로 간주한다.
• LSND 이질현상 영역의 배제 능력을 평가하기 위해 프로파일 최대우도 기법을 사용한 민감도 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정지된 뮤온에서 붕괴하는 뉴트리노 원천에서 뉴트리노 간 비일반적인 단거리 힘이 관측 가능한 풍미 전환을 일으켜 LSND 이질현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 서로 다른 뉴트리노-반뉴트리노 포텐셜에 기인한 풍미 변화 위상은, 데écay-in-flight 원천과 비교했을 때 DAR 원천에서 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ3 LSND 신호를 재현하면서도 다른 실험 제약 조건을 회피할 수 있는 매개체 질량과 결합 상수의 허용 가능한 매개변수 공간은 무엇인가?
• RQ4 향후 DAR 실험인 JSNS 2와 OscSNS는 이 힘 매개 메커니즘을 스테일러 뉴트리노 설명과 어떻게 명확히 구분할 수 있는가?
• RQ5 내재된 $\bar{\nu}_e$ 배경은 향후 실험에서 이 새로운 풍미 전환 효과의 검출 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 정지된 뮤온에서 붕괴하는 데서 생성된 뉴트리노 간 비일반적인 단거리 힘이 풍미 변화 위상을 유도하며, 이는 $\bar{\nu}_\mu$ 상태가 $\bar{\nu}_e$-유사 상태로 전이되는 데 기여하여 LSND 이질현상에 새로운 설명을 제공한다.
• 이 효과는 $\nu_e$와 $\bar{\nu}_\mu$ 쌍이 매우 가까운 공간적 위치에 존재하는 DAR 원천에서만 유일하게 발생하며, 편이 붕괴나 핵붕괴 원천에서는 이를 갖지 않는다.
• 카이온과 $W$ 보손 질량 사이의 매개체 질량 범위와 약 0.1 수준의 결합 상수를 가진 경우, 약 0.26%의 진동 확률로 LSND 신호를 재현할 수 있는 넓지만 제약된 매개변수 공간이 존재한다.
• 해당 매개변수 공간에서 기존의 $\mu^+ \to e^+ \nu_e \bar{\nu}_\mu$, $\beta$ 붕괴, $D$ 메손 붕괴 제약 조건은 은폐된 $Z$ 보손 폭 제약보다 약하다.
• JSNS 2와 OscSNS 모두 이 메커니즘의 LSND 허용 매개변수 공간을 다수의 결합 상수와 매개체 질량 범위에서 90% 이상의 신뢰수준으로 배제할 수 있다.
• 모델링이 적절히 이루어지면, 에너지 의존성의 차이로 인해 변환된 신호 스펙트럼이 내재된 $\bar{\nu}_e$ 배경과 명확히 구분되며, 깨끗한 신호 추출이 가능하다.