[논문 리뷰] Searching for Novel Neutrino Interactions at NOvA and Beyond in Light of Large theta_13

Alexander Friedland, Ian M. Shoemaker|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 27.

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한 줄 요약

이 논문은 큰 $\theta_{13}$ 각도를 활용하여 $e$-$\tau$ 섹터에서의 비표준 중성미자 상호작용(NSI)에 대한 장기 기저 실험, 특히 NOvA와 LBNE의 민감도를 조사한다. 간섭 효과를 증폭시켜 NSI를 감지할 수 있음을 보여주며, NOvA는 약 $3\sigma$의 유의수준에서 NSI를 탐지할 수 있지만, NSI 위상은 $CP$ 위반을 모방할 수 있어 질량 계층과 진짜 $CP$ 위반을 확인하기 위해 LBNE의 $1300$ km와 같은 더 긴 기저가 필요하다는 점을 밝혀낸다.

ABSTRACT

We examine the prospects of probing nonstandard interactions (NSI) of neutrinos in the e-tau sector with upcoming long-baseline nu_mu -> nu_e oscillation experiments. First conjectured decades ago, neutrino NSI remain of great interest, especially in light of the recent 8B solar neutrino measurements by SNO, Super-Kamiokande, and Borexino. We observe that the recent discovery of large theta_13 implies that long-baseline experiments have considerable NSI sensitivity, thanks to the interference of the standard and new physics conversion amplitudes. In particular, in some parts of NSI parameter space, the upcoming NOvA experiment will be sensitive enough to see ~ 3sigma deviations from the SM-only hypothesis. On the flip side, NSI introduce important ambiguities in interpreting NOvA results as measurements of CP-violation, the mass hierarchy and the octant of theta_23. In particular, observed CP violation could be due to a phase coming from NSI, rather than the vacuum Hamiltonian. The proposed LBNE experiment, with its longer ~ 1300 km baseline, may break many of these interpretative degeneracies.

연구 동기 및 목표

• 최근에 측정된 큰 $\theta_{13}$이 표준모형과 새로운 물리학의 진폭 간 간섭을 통해 NSI 탐지 능력을 향상시키는 방식으로, 향후 장기 기저 실험(예: NOvA와 LBNE)이 비표준 중성미자 상호작용(NSI)에 대해 어떤 민감도를 가지는지 평가하는 것.
• 최근 측정된 큰 $\theta_{13}$이 표준 진동과 새로운 물리학 진폭 간 간섭을 통해 NSI 탐지 능력을 향상시키는 방식을 평가하는 것.
• NOvA에서 $CP$ 위반, 질량 계층, $\theta_{23}$의 2차 부울러티 측정에 영향을 주는 NSI 위상에 의해 발생하는 모호함을 규명하고 정량화하는 것.
• LBNE의 $\sim1300$ km와 같은 더 긴 기저가 NSI 해석에서 핵심적인 디제네러시를 어떻게 깨는지 보여주는 것.
• T2K, NOvA, LBNE, Deep Core 등의 다수 기저에서의 데이터를 통합 분석하여 NSI 민감도를 극대화하고 매개변수의 모호함을 해소하는 것을 주장하는 것.

제안 방법

• 비대칭 $e$-$\tau$ NSI 결합 $\varepsilon_{e\tau}^{f}$를 포함하는 효과적 장 이론 프레임워크를 사용하며, NSI는 $\mathcal{L} \supset -2\sqrt{2} \varepsilon_{e\tau}^{f} G_F (\bar{f}\gamma^\mu f)(\bar{\nu}_e \gamma_\mu \nu_\tau) + \text{h.c.}$ 로 기술된다.
• 표준 진공 진동과 NSI 진폭 간의 간섭을 포함한 매질 내 중성미자 진동 확률 $P(\nu_\mu \to \nu_e)$를 분석한다.
• 다양한 기저(예: NOvA는 $\sim810$ km, LBNE는 $\sim1300$ km)에서 $\nu_\mu \to \nu_e$ 등장률의 스펙트럼 분석을 통해 NSI 민감도를 조사한다.
• SNO와 Borexino의 태양 중성미자 데이터에서 예측된 $\nu_e$ 생존 확률을 $\varepsilon_{e\tau} \sim 0.2-0.4$ 조건 하에 NSI 유무에 따라 비교하여 일관성을 평가한다.
• 다양한 기저에서 $\nu$ 및 $\bar{\nu}$ 모드 데이터를 활용하여 위상과 질량 계층 식별에 중점을 두어 디제네러시를 깨는 방법을 평가한다.
• NOvA와 LBNE에서의 NSI 탐지에 대해 $3\sigma$ 및 $5\sigma$ 민감도 임계값을 추정하기 위한 통계 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큰 $\theta_{13}$ 조건 하에서, NOvA와 LBNE와 같은 장기 기저 실험은 $e$-$\tau$ 섹터에서의 비표준 중성미자 상호작용(NSI)을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 NSI 위상은 $\nu_\mu \to \nu_e$ 진동 실험에서 진짜 $CP$ 위반 효과를 얼마나 잘 모방하거나 가림으로써 영향을 미치는가?
• RQ3 NOvA에서 NSI 효과는 중성미자 질량 계층과 $\theta_{23}$의 2차 부울러티 측정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 LBNE의 더 긴 기저($\sim1300$ km)는 짧은 기저 실험에서 발생하는 NSI 해석의 디제네러시를 해결할 수 있는가?
• RQ5 T2K, NOvA, LBNE, Deep Core 등의 다수 장기 기저 실험의 조합 민감도는 무엇이며, 단일 실험 분석에 비해 얼마나 향상되는가?

주요 결과

• 큰 $\theta_{13}$은 양자 간섭 덕분에 NSI 민감도를 향상시키며, 이로 인해 $|\varepsilon_{e\tau}| \sim 0.2-0.4$ 조건에서 NOvA는 표준모형만을 고려한 가설에 대해 약 $3\sigma$의 편차를 탐지할 수 있다.
• LBNE의 $\sim1300$ km 기저는 $\varepsilon_{e\tau} \sim 0.1$ 조건에서 NSI를 $5\sigma$로 탐지할 수 있는 충분한 민감도를 제공하며, $\varepsilon_{e\tau} \sim 0.1$ 조건에서도 $3\sigma$ 탐지가 가능하다.
• NSI는 $CP$ 위반 위상 $\delta_\nu$를 도입하여 진공의 $CP$ 위반 위상 $\delta$를 모방할 수 있어, NOvA에서 $CP$ 위반 해석에 근본적인 모호함을 야기한다.
• NOvA에서 $\delta$, $\delta_\nu$, 질량 계층의 다양한 조합 간의 디제네러시는 특히 LBNE의 장기 기저 데이터를 통합함으로써 깨질 수 있다.
• 특히 저에너지 및 두 번째 진동 최대치 근처에서의 스펙트럼 정보는 NSI 위상과 표준모형 매개변수를 구분하는 데 있어 중요한 기여를 한다.
• NOvA, LBNE, T2K, Deep Core의 데이터를 통합 분석하면 디제네러시를 해소하고 강력한 다면적 탐지 수단을 제공할 것으로 기대된다.