[논문 리뷰] Nonstandard Neutrino Interactions can explain the XENON1T spectral excess

Amir N. Khan|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 23.

Neutrino Physics Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 비표준 중성자미세상호작용—특히 중성자기모멘트, 전하반경, 밀리전하, 그리고 경량 벡터/스칼라 매개입자—가 XENON1T 전자 반발 스펙트럼 초과를 설명할 수 있다고 제안한다. 실험적 제약 조건 내에서 데이터에 가장 잘 맞는 것은 (2–4)×10⁻¹¹ μB의 중성자기모멘트, (1.7–2.3)×10⁻¹²e의 밀리전하, 질량 10–100 keV인 벡터 매개입자와 ~5×10⁻⁷의 결합 상수이다.

ABSTRACT

We perform a constrained spectral fit analysis of the excess observed in the recoiled electron energy spectrum by XENON1T with neutrino magnetic moment, charge radius, neutrino millicharge and new light vector and scalar mediators. Within limits allowed by other laboratory experiments we find that the excess can be explained in the range$ (2-4) imes 10^{-11}\mu _{B} for the magnetic moment,$ (2-6) imes 10^{-31}$cm$^{2}$ for the charge radius, $ (1.7-2.3) imes 10^{-12}e$ for the millicharge and $(10-100) $keV masses of light mediators with couplings of 5 imes 10^{-7}$ for vector/axial-vector, $1.2 imes 10^{-6}$ and $4 imes 10^{-6}$ for scalar and pseudo-scalar mediators, respectively. Among all, neutrino millicharge, magnetic moment and vector mediators fit better to the observed spectrum. We also derive constraints on all new physics parameters considered here.

연구 동기 및 목표

• XENON1T 실험에서 관측된 설명되지 않은 전자 반발 스펙트럼 초과를 비표준 중성자미세상호작용이 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• 중성자기모멘트, 전하반경, 밀리전하, 그리고 경량 벡터 및 스칼라 매개입자의 결합 상수와 같은 새로운 물리학 매개변수를 제약하기 위해.
• 기존 실험적 제약 조건 내에서 관측된 에너지 스펙트럼을 가장 잘 재현하는 새로운 물리학 모델을 규명하기 위해.
• XENON1T 데이터를 바탕으로 고려된 모든 새로운 물리학 매개변수에 대한 강력한 제약 조건을 유도하기 위해.

제안 방법

• 비표준 중성자미세상호작용 이론 모델을 사용하여 XENON1T 전자 반발 에너지 스펙트럼에 제약 조건을 가한 스펙트럼 피팅을 수행하기 위해.
• 다른 실험실 실험에서의 실험적 제약 조건을 통합하여 중성자기모멘트, 전하반경, 밀리전하에 대한 타당한 매개변수 공간을 제한하기 위해.
• 10–100 keV 범위의 질량과 다양한 결합 상수를 가진 벡터, 아кси얼-벡터, 스칼라, 페시-스칼라 매개입자에 대해 피팅의 적합도를 평가하기 위해.
• 우도 기반 분석을 사용하여 모델 예측을 관측된 XENON1T 스펙트럼과 비교하고 최적 피팅 매개변수를 유도하기 위해.
• 베이지안 추론 기법을 적용하여 불확실성을 정량화하고 새로운 물리학 결합 상수의 상한을 유도하기 위해.
• 다양한 상호작용 유형(예: 밀리전하 대 중성자기모멘트)의 피팅 품질을 비교하여 최적 피팅 모델을 규명하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성자기모멘트나 밀리전하와 같은 비표준 중성자미세상호작용이 1–7 keV 반발 에너지 범위에서 XENON1T 스펙트럼 초과를 설명할 수 있는가?
• RQ2 중성자기모멘트, 전하반경, 밀리전하, 또는 경량 매개입자 중에서 관측된 XENON1T 스펙트럼에 가장 잘 맞는 새로운 물리학 모델은 무엇인가?
• RQ3 XENON1T 초과와 다른 실험 제약 조건 양쪽 모두와 일치하는 결합 상수 및 매개입자 질량의 허용 범위는 무엇인가?
• RQ4 중성자기모멘트, 전하반경, 밀리전하에 대한 제약 조건이 기존 실험 제약 조건과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 다양한 새로운 물리학 모델의 예측 신호 형상은 무엇이며, 관측된 스펙트럼 형상과 어떻게 일치하는가?

주요 결과

• 중성자기모멘트가 (2–4)×10⁻¹¹ μB 범위일 경우 XENON1T 스펙트럼 초과에 잘 맞는다.
• 중성자전하반경이 (2–6)×10⁻³¹ cm²일 경우 실험적 범위 내에서 관측된 스펙트럼과 일치한다.
• 밀리전하가 (1.7–2.3)×10⁻¹²e일 경우 타당한 설명으로서 데이터와 강한 호환성을 보인다.
• 질량이 10–100 keV이고 결합 상수가 약 ~5×10⁻⁷인 경량 벡터/아크시얼-벡터 매개입자는 스펙트럼 형상을 가장 잘 재현한다.
• 결합 상수가 각각 1.2×10⁻⁶ 및 4×10⁻⁶인 스칼라 및 페시-스칼라 매개입자도 데이터에 피팅되지만, 벡터 매개입자보다는 덜 효과적이다.
• 모든 모델 중에서 중성자밀리전하, 중성자기모멘트, 그리고 벡터 매개입자가 XENON1T 스펙트럼과 가장 높은 일치도를 보인다.