[논문 리뷰] Search for sterile neutrino with light gauge interactions: recasting collider, beam-dump, and neutrino telescope searches

Yongsoo Jho, Jong‐Kuk Kim외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 확장인 두 가지 $U(1)_X$ 모델—$B-L$ 및 스테일러-스페시픽—에서 경량 게이지 보손 $X^\mu$ 와 결합된 스테일러 중성미온의 현상론을 조사한다. 기존의 콜라이더, 빔덤프 및 중성미온 천체망원경 데이터를 재분석하여 활성-스테일러 혼합 $|U_{\tau 4}|^2$ 를 제약한다. 향후 FASER, SHiP, IceCube-Gen2 실험들이 MiniBooNE/LSND의 저에너지 초과 현상을 해결하는 데 유리한 매개변수 영역을 탐색할 것으로 예측되며, 특히 $m_4 < 1$ GeV 이고 $|U_{\tau 4}|^2 \sim 10^{-10} \text{--} 10^{-8}$ 인 경우에 유의미하다.

ABSTRACT

We investigate features of the sterile neutrinos in the presence of a light gauge boson $X^\\mu$ that couples to the neutrino sector. The novel bounds on the active-sterile neutrino mixings $| U_{\\ell 4} |^2$, especially for tau flavor ($l = \ au$), from various collider and fixed target experiments are explored. Also, taking into account the additional decay channel of the sterile neutrino into a light gauge boson ($\ u_4 \ o \ u_\\ell e^+ e^-$), we explore and constrain a parameter space for low energy excess in neutrino oscillation experiments.

연구 동기 및 목표

• UV 완전한 $U(1)_X$ 모델에서 경량 게이지 상호작용을 갖는 스테일러 중성미온의 현상론을 탐색하기 위해.
• 콜라이더, 빔덤프 및 중성미온 천체망원경 탐색에서의 기존 실험 제약을 재해석하여 활성-스테일러 혼합 $|U_{\ell 4}|^2$ 에 대한 제약을 설정하며, 특히 $\ell = \tau$ 에 초점을 맞춘다.
• 향후 실험—FASER, FASER2, SHiP 및 IceCube-Gen2—이 MiniBooNE 및 LSND의 저에너지 초과 현상을 해결하는 데 필요한 매개변수 영역에 대해 어떤 민감도를 가지는지 평가하기 위해.
• 강도 전면 실험에서 장수명 입자 탐색을 위한 종합적인 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 이상이 없는 두 가지 $U(1)_X$ 모델 구축: 모델 A는 $U(1)_{B-L}$ 대칭을 가지며, 모델 B는 스테일러 중성미온 전용 $U(1)_s$ 대칭을 가진다.
• 경량 게이지 보손 $X^\mu$ 를 통해 $\nu_4$ 가 $\nu_\ell e^+e^-$ 로 붕괴하는 방식으로 스테일러 중성미온 $\nu_4$ 의 붕괴 너비와 수명을 계산한다.
• CHARM, NOMAD, LEP, Belle/BaBar 및 IceCube-DeepCore의 기존 실험 데이터를 재해석하여 $m_4$ 와 $m_X$ 를 함수로 하는 $|U_{\tau 4}|^2$ 의 제약 조건을 설정한다.
• 우주에서 유래한 중성미온을 사용한 FASER, FASER2, SHiP 및 IceCube-Gen2의 双카스케이드 탐색 신호 시뮬레이션을 활용하여 향후 민감도를 평가한다.
• 빛의 광자와의 운동 혼합을 통합하여 $Z$-보손의 비가시 붕괴 너 aloud 및 단일 제트 제약 조건과 연결한다.
• $\nu_4 \to \nu_\ell e^+e^-$ 붕괴 채널을 활용하여 장수명 스테일러 중성미온이 버텍스 실험에서 탐지 가능한 매개변수 영역을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경량 게이지 보손 상호작용은 $U(1)_X$ 확장된 표준모형에서 스테일러 중성미온의 현상론을 어떻게 변화시키는가?
• RQ2 경량 $X^\mu$ 가 존재하는 조건에서 콜라이더, 빔덤프 및 중성미온 천체망원경 탐색에서 $|U_{\tau 4}|^2$ 에 대한 현재의 실험 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 향후 실험들—FASER, SHiP, IceCube-Gen2—중에서 MiniBooNE/LSND의 저에너지 초과 현상을 설명하는 데 가장 민감한 스테일러 중성미온 매개변수 영역을 탐지할 수 있는 실험은 무엇인가?
• RQ4 $\nu_4 \to \nu_\ell e^+e^-$ 붕괴 채널은 고강도 실험에서 장수명 스테일러 중성미온의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 $m_X$, $g_X$, $|U_{\tau 4}|^2$ 가 짧은 기간 기반 이상 현상 해결을 위한 스테일러 중성미온의 타당성 결정에 어떤 상호작용을 가지는가?

주요 결과

• 현재 $Z$-보손의 비가시 붕괴에서 유도된 제약 조건은 $m_4 \lesssim 1$ GeV 인 경우 $|U_{\tau 4}|^2 \lesssim 10^{-10}$ 이다.
• CHARM 및 NOMAD 실험은 $m_4 \lesssim 1$ GeV 인 경우 $|U_{\tau 4}|^2 \lesssim 10^{-10}$ 을 제약하며, $m_X \sim 0.1m_4$ 영역에서 더 강력한 제약 조건을 제공한다.
• IceCube-DeepCore 는 $m_4 \lesssim 1$ GeV 인 경우 $|U_{\tau 4}|^2 \lesssim 10^{-10}$ 을 제약하며, LEP 단일 제트 탐색은 $m_4 \lesssim 1$ GeV 인 경우 $|U_{\tau 4}|^2 \lesssim 10^{-11}$ 을 제약한다.
• 향후 FASER 및 FASER2 실험은 $m_4 < 1$ GeV 인 경우 $|U_{\tau 4}|^2 \sim 10^{-10}$ 을 탐색할 것으로 예상되며, MiniBooNE/LSND 저에너지 초과 현상에 유리한 영역을 커버한다.
• SHiP 는 $m_4 < 1$ GeV 인 경우 $|U_{\tau 4}|^2 \sim 10^{-12}$ 을 탐색할 것으로 예측되며, 현재의 제약 조건보다 크게 향상된다.
• 우주에서 유래한 중성미온을 사용한 IceCube-Gen2 의 이중카스케이드 탐색은 $m_4 \lesssim 1$ GeV 인 경우 $|U_{\tau 4}|^2 \sim 10^{-10}$ 수준에 도달할 것으로 기대되며, 동일한 영역에서 경쟁 가능한 민감도를 제공한다.