[논문 리뷰] Non-Unitarity vs sterile neutrinos at DUNE

Josu Hernández-García, J. López-Pavón|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 04.

Neutrino Physics Research참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 DUNE를 사례로 삼아 표준모형을 초월한 새로운 물리학의 설명으로서 PMNS 행렬의 비단위성(NU)과 흑색 중성자비의 진동을 비교한다. 현재 데이터로 인해 NU 효과는 너무 엄격하게 제약을 받고 있어 DUNE에서 검출 가능하지 않지만, 특히 평균화되지 않은 진동 영역에서의 흑색 중성자비는 근거리/원거리 검출기에서의 특이한 서명을 보이며 탐지 가능할 수 있음을 밝혀내며, 감도 확보를 위한 근거리 검출기 측정의 중요성을 강조한다.

ABSTRACT

Neutrino masses are one of the most promising open windows to physics beyond the Standard Model (SM). Several extensions of the SM which accommodate neutrino masses require the addition of right-handed neutrinos to its particle content. These extra fermions will either be kinematically accessible (sterile neutrinos) or not (deviations from Unitarity of the PMNS matrix) but at some point they will impact neutrino oscillation searches. We explore the differences and similitudes between the two cases and compare their present bounds with the expected sensitivities of DUNE. We conclude that Non-Unitarity (NU) effects are too constrained to impact present or near future neutrino oscillation facilities but that sterile neutrinos can play an important role at long baseline experiments.

연구 동기 및 목표

• 비단위성(NU)과 흑색 중성자비가 중성자비 진동 실험에 미치는 현상학적 영향을 비교하기.
• DUNE가 비단위성 효과와 운동에너지로 접근 가능한 흑색 중성자비 진동 사이를 구별할 수 있는지 평가하기.
• 근거리 검출기 측정이 복잡한 빛의 세기 및 단면적 불확실성과 새로운 물리 효과를 분리하는 데 어떤 역할을 하는지 평가하기.
• 다양한 진동 영역에서 DUNE이 NU 매개변수와 흑색 중성자비 혼합 각도에 대해 얼마나 민감한지 정량화하기.
• DUNE 데이터와 기존 실험적 사전 정보(흑색 중성자비 혼합에 대한) 간의 상호보완성을 조사하기.

제안 방법

• 활성(경량) 및 무거운(흑색) 상태를 분리하는 $ (3+n) \times (3+n) $ 혼합 행렬 $ \mathcal{U} $를 사용한 단위성 혼합 행렬 형식을 적용한다.
• NU 영역에서 진동 확률을 $ P_{\alpha\beta} = |(NS^0N^\dagger)_{\beta\alpha}|^2 $ 를 통해 유도하며, 여기서 $ S^0 $ 는 질량 기저에서의 진화 행렬이다.
• 흑색 중성자비의 경우, 활성 중성자비 부분 블록 $ S_{\alpha\beta} $ 를 경량 및 무거운 상태의 합으로 계산하며, 단계 인자 $ \Phi_J $ 를 포함한다.
• 빠른 진동의 평균화된 근사($ \Delta m^2 L/E \gg 1 $)를 적용하여, 교차항이 0으로 평균화되어 $ P_{\alpha\beta} = |S_{\alpha\beta}|^2 $ 가 되는 형태로 전환한다.
• 모든 다른 매개변수에 대해 최대우도를 취한 채, 새로운 물리 매개변수의 진짜 값이 0이라고 가정한 빈도주의 감도 스캔을 수행한다.
• 기존의 흑색 중성자비 제약 조건(특히 근거리 검출기(Nd)에서의 평균화된 vs. 평균화되지 않은 시나리오)을 고려한 결과와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DUNE는 장거리 중성자비 실험에서 비단위성 효과와 흑색 중성자비 진동을 구별할 수 있는가?
• RQ2 근거리 검출기 측정은 비단위성 및 흑색 중성자비 시나리오에서 새로운 물리 매개변수에 대한 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 근거리 검출기에서 흑색 중성자비 진동이 평균화될 경우 혼합 매개변수에 대한 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 현재의 실험적 제약 조건과 DUNE의 예측 감도 사이의 흑색 중성자비 혼합에 대한 비교는 어떻게 이루어지는가?
• RQ5 NU와 흑색 중성자비 효과가 동일한 진동 확률을 생성하는 매개변수 영역은 어디인가?

주요 결과

• 비단위성(NU) 효과는 정밀 전자약력 및 쿼크 성질 관측을 통해 퍼밀레 수준 또는 그 이하로 제약을 받고 있어 DUNE에서 검출 가능하지 않다.
• 평균화되지 않은 영역에서의 흑색 중성자비 혼합은 DUNE이 $ \alpha_{ee} $ 와 $ \alpha_{\mu\mu} $ 와 같은 매개변수에 대해 상당한 감도를 확보할 수 있음을 보여준다.
• 근거리 검출기에서의 평균화되지 않은 시나리오에서는 정규화에서의 상쇄 효과가 줄어들어, $ \alpha_{ee} $ 와 $ \alpha_{\mu\mu} $ 의 비단위성 매개변수에 대한 감도가 평균화된 경우보다 훨씬 높다.
• 실수부 $ \alpha_{\tau\mu} $ 는 DUNE 데이터와 기존 사전 정보를 조합할 경우 감도가 향상되어, 서로 다른 데이터 세트 간의 상호보완적 효과가 있음을 시사한다.
• 근거리 검출기에서 평균화된 시나리오에서는 흑색 중성자비 진동이 근거리 및 원거리 검출기 모두에서 평균화되어 새로운 물리 효과가 빛의 세기 및 단면적 불확실성과 거의 구별되지 않는다.
• 근거리 검출기는 핵심적인 역할을 한다: 원거리 검출기와 동일한 방식으로 새로운 물리 효과가 영향을 받지 않을 경우, 새로운 물리 매개변수에 대한 감도가 크게 향상된다.