[논문 리뷰] New constraints on neutrino electric millicharge from elastic neutrino-electron scattering and coherent elastic neutrino-nucleus scattering

A. Parada|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 10.

Neutrino Physics Research인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 탄성 중성미자-전자 산란(ENES) 데이터를 분석하고 향후 공명 탄성 중성미자-핵 산란(CENNS) 실험에 대한 민감도를 예측하여 중성미자 전기 밀리전하(NEM)에 대한 제약 조건을 향상시킨다. ENES로부터 90% 신뢰수준에서 $-1.1 \times 10^{-12}e < q_u < 9.3 \times 10^{-13}e$의 제약을 도출하였고, CENNS로부터 $-1.8 \times 10^{-14}e < q_u < 1.8 \times 10^{-14}e$의 제약을 도출하였다. 이는 통합된 분석과 향후 CENNS 데이터가 개별 분석보다 훨씬 더 강력한 제약 조건을 제공할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

In several extensions of the Standard Model of Particle Physics (SMPP), the neutrinos acquire electromagnetic properties such as the electric millicharge. Theoretical and experimental bounds have been reported in the literature for this parameter. In this work, we first carried out a statistical analysis by using data from reactor neutrino experiments, which include elastic neutrino-electron scattering (ENES) processes, in order to obtain both individual and combined limits on the neutrino electric millicharge (NEM). Then we performed a similar calculation to show a estimate of the sensitivity of future experiments of reactor neutrinos to the NEM, by involving coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CENNS). In the first case, the constraints achieved from the combination of several experiments are $-1.1 imes 10^{-12}e < q_{ u} < 9.3 imes 10^{-13}e$ ($90\%$ C.L.), and in the second scenario we obtained the bounds $-1.8 imes 10^{-14}e < q_{ u} < 1.8 imes 10^{-14}e$ ($90\%$ C.L.). As we will show here, these combined analyses of different experimental data can lead to stronger constraints than those based on individual analysis. Where CENNS interactions would stand out as an important alternative to improve the current limits on NEM.

연구 동기 및 목표

• 반응로 중성미자 데이터를 활용하여 기존의 실험적 제약 조건을 중성미자 전기 밀리전하(NEM)에 대해 향상시키는 것.
• 공명 탄성 중성미자-핵 산란(CENNS)을 통한 향후 반응로 중성미자 실험의 NEM에 대한 민감도를 평가하는 것.
• ENES와 CENNS에서의 제약 조건 강도를 비교하고, 다수의 실험 데이터를 통합함으로써 얻는 이점의 평가.
• CENNS 상호작용이 ENES 단독보다 NEM에 대해 더 민감한 탐사 수단이 될 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 탄성 중성미자-전자 산란(ENES) 과정을 포함하는 기존 반응로 중성미자 데이터의 통계적 분석.
• 여러 ENES 실험의 결과를 통합하여 중성미자 전기 밀리전하(NEM)에 대한 공동 제약 조건을 도출하는 것.
• 반응로 중성미자 실험에서 공명 탄성 중성미자-핵 산란(CENNS) 상호작용을 활용한 향후 민감도 예측.
• 90% 신뢰수준(C.L.)에서의 빈도주의 통계 방법을 적용하여 NEM에 대한 상한 및 하한 제약 조건을 도출하는 것.
• 표준모형의 확장 이론에서 예측하는 비제로 중성미자 밀리전하를 고려하는 것.
• ENES와 CENNS에서의 제약 조건을 비교하여 상대적 민감도와 향상 가능성을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반응로 중성미자 ENES 데이터로부터 현재 중성미자 전기 밀리전하(NEM)에 대한 실험적 제약 조건은 무엇인가?
• RQ2 여러 ENES 실험의 통합 분석은 개별 연구에 비해 NEM에 대한 제약 조건을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 향후 반응로 중성미자 실험에서 공명 탄성 중성미자-핵 산란(CENNS)을 활용하여 NEM에 대해 어떤 민감도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 CENNS는 NEM 탐색에서 ENES에 비해 어떤 민감도를 가지는가?
• RQ5 CENNS는 NEM에 대한 더 강력한 제약 조건을 설정하기 위한 실현 가능하고 더 강력한 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• 여러 반응로 중성미자 ENES 실험의 통합 분석을 통해 90% 신뢰수준에서 중성미자 전기 밀리전하에 대한 제약 조건이 $-1.1 \times 10^{-12}e < q_u < 9.3 \times 10^{-13}e$로 도출되었다.
• 향후 CENNS 실험의 민감도 예측 결과, 90% 신뢰수준에서 제약 조건이 $-1.8 \times 10^{-14}e < q_u < 1.8 \times 10^{-14}e$로 향상되었다.
• CENNS 기반 제약 조건은 ENES 기반 제약 조건보다 약 10배 더 엄격하여, 훨씬 뛰어난 민감도를 보인다.
• ENES 데이터의 통합 분석은 개별 실험보다 더 강력한 제약 조건을 제공하며, 데이터 통합의 가치를 입증한다.
• CENNS 상호작용이 향후 실험에서 중성미자 전기 밀리전하에 대한 더 엄격한 제약 조건 설정을 위한 유망하고 강력한 대안으로 밝혀졌다.
• 결과적으로 향후 반응로 중성미자 실험에서 CENNS를 활용할 경우 표준모형을 초월한 새로운 물리학 탐색에 크게 기여할 수 있을 것으로 보인다.