[논문 리뷰] Neutrino oscillations and Non-Standard Interactions

Yasaman Farzan, M. Tórtola|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 25.

Neutrino Physics Research참고 문헌 225인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 경량 $U(1)'$ 게이지 보손(질량 $\lesssim 10$ MeV)을 통해 매개되는 중성미온의 비표준 상호작용(NSI)이 존재하는 조건에서 중성미온 진동을 검토한다. 전자기적 대칭성을 유지하면서 기존 실험적 제약을 피할 수 있는 유효한 UV 완전 모델을 제안하고, NSI가 중성미온 매개변수의 정밀 측정을 어떻게 왜곡할 수 있는지 설명하며, CP 위상, 질량 순서, $\theta_{23}$ 1차상태의 결정에 있어 디제네러시를 어떻게 깰 수 있는지 제안한다.

ABSTRACT

Current neutrino experiments measure the neutrino mixing parameters with an unprecedented accuracy. The upcoming generation of experiments will be sensitive to subdominant effects that can give information on the unknown neutrino parameters: the Dirac CP-violating phase, the mass ordering and the $θ_{23}$ octant. Determining the exact values of neutrino mass and mixing parameters is crucial to test neutrino models and flavor symmetries. In the first part of this review, we summarize the current status of neutrino oscillation parameters. We consider the most recent data from solar experiments and the atmospheric data from Super-Kamiokande, IceCube and ANTARES. We implement the data from the reactor experiments KamLAND, Daya Bay, RENO and Double Chooz as well as the long baseline data from MINOS, T2K and NOvA. If in addition to the standard interactions, neutrinos have subdominant Non-Standard Interactions (NSI) with matter, extracting the values of these parameters will suffer from new degeneracies. We review such effects and formulate the conditions on the NSI parameters under which the precision measurement of neutrino oscillation parameters can be distorted. Like standard weak interactions, NSI can be categorized into Charged and Neutral Current NSI. Our focus will be on NC NSI since it is possible to build a class of models giving rise to sizeable NC NSI with effects on neutrino oscillations. These models are based on new $U(1)$ gauge symmetry with a boson of mass $\lesssim 10$ MeV. The UV complete model should be electroweak invariant which implies that along with neutrinos, charged fermions acquire new interactions on which there are strong bounds. We enumerate the bounds that exist on such models and show that it is possible to build viable models avoiding all the bounds. We review methods to test these models and suggest approaches to break the degeneracies caused by NSI.

연구 동기 및 목표

• 비표준 상호작용(NSI)이 중성미온 혼합 매개변수의 정밀 측정에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 경량 $U(1)'$ 게이지 보손을 가진 유효한 UV 완전 모델을 구축하여, 표준모형 대칭성을 유지하면서도 크기가 두드러진 중성미온 NSI를 유도하는 것.
• 저에너지 중성미온 산란과 고에너지 간성 중성미온 스펙트럼을 이용해 이러한 NSI 모델의 실험적 제약 조건과 검증 가능한 서명을 규명하는 것.
• NSI로 인해 발생하는 디제네러시를 해소하기 위한 전략을 제안하는 것, 특히 CP 위반 위상, 질량 순서, $\theta_{23}$ 1차상태에 대한 것.

제안 방법

• NSI를 전하 전류(CC)와 중성 전류(NC)로 분류하고, 큰 영향을 미칠 수 있는 NC-NSI에 초점을 맞춘다.
• $Z^\prime$ 보손 질량이 $\lesssim 10$ MeV인 $U(1)'$ 게이지 모델을 구축하며, 렙톤과 쿼크에 $U(1)'$ 전하를 할당하여 전자기 대칭성과 맛 변화 제약을 유지한다.
• 두 가지 시나리오를 구현: (i) 표준모형 렙톤과 쿼크에 직접 $U(1)'$ 결합(일반화된 기초수준의 빈도수 유사 전하 할당), (ii) 새로운 디랙 페르미온 $\Psi$ 또는 희미한 중성미온 $N$과의 혼합을 통한 간접 결합.
• 저에너지 중성미온 전파에서 NSI 효과를 기술하기 위해 유효한 4 Fermi 라그랑지안을 사용하며, 이는 $q^2 \ll m_{Z'}^2$ 조건에서 유효하며 반응기 및 대기 중성미온 실험에 적용 가능하다.
• 고에너지 실험(예: NuTeV, CHARM)의 제약을 분석하여, 고에너지에서 $q^2$ 가 클수록 NSI 효과가 억제됨을 보이며, COHERENT 및 CONUS와 같은 저에너지 실험에서 더 민감함을 밝힌다.
• 고에너지 간성 중성미온 스펙트럼에서 에너지 분포의 비틀림을 통해 모델을 검증하는 것을 제안하며, 특히 약 300 TeV 부근에서의 골이 나타나는 현상에 주목한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경량 $Z^\prime$ 보손을 통해 매개되는 비표준 중성전류 상호작용이 중성미온 진동 매개변수의 정밀 측정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 기존 전자기 및 맛 제약을 피하면서도 관측 가능한 NSI 효과를 유도할 수 있는 유효한 UV 완전 $U(1)'$ 모델을 구성할 수 있는가?
• RQ3 이러한 NSI 모델의 실험적 서명은 무엇이며, 저에너지 및 고에너지 중성미온 실험에서 표준모형과 어떻게 구별할 수 있는가?
• RQ4 NSI가 CP 위반 위상, 중성미온 질량 순서, $\theta_{23}$ 1차상태의 결정에 있어 얼마나 깊이 디제네러시를 유도하는가?
• RQ5 COHERENT 및 CONUS 실험은 저에너지 중성미온-핵 반응을 통해 제안된 NSI 모델을 검증할 수 있는가?

주요 결과

• $a_e = 0$, $a_\mu = a_\tau = -3/2$ 이며 결합 상수가 $4 \times 10^{-5}(m_{Z'}/10~{\rm MeV})$ 인 유효한 $U(1)'$ 모델은 $\epsilon_{\mu\mu} - \epsilon_{ee} = \epsilon_{\tau\tau} - \epsilon_{ee} = -0.3$ 조건에서 최적의 태양 중성미온 데이터를 재현한다.
• $U(1)'$ 전하를 지닌 새로운 디랙 페르미온 $\Psi$ 가 중성미온과 혼합되어 있으면, 트리 수준의 전하 렙톤 결합 없이도 NSI를 생성할 수 있으며, 이는 강한 제약 조건을 피할 수 있다.
• 저에너지 중성미온 산란(예: COHERENT)에서 $q^2 \ll m_{Z'}^2$ 조건을 만족할 경우 유효한 4 Fermi 기술이 NSI 효과를 잘 기술하지만, NuTeV와 같은 고에너지 실험에서는 $q^2$ 가 클수록 실패한다.
• 고에너지 간성 중성미온 스펙트럼은 $Z^\prime$ 매개의 공진 산란로 인해 약 300 TeV 부근에서 골이 나타나는 현상을 보일 수 있으며, 이는 검증 가능한 서명이 된다.
• COHERENT 및 향후 CONUS 실험은 수 MeV 에너지에서의 비틀림 중성미온-핵 산란을 통해 제안된 NSI 모델을 탐색하기에 이상적인 조건을 제공한다.
• 특히 CP 위상, 질량 순서, $\theta_{23}$ 1차상태에 대한 결정에서 발생하는 디제네러시는 중성미온 데이터에 NSI 효과를 포함한 종합적 피팅을 통해 깰 수 있다.