[논문 리뷰] Testing NSI suggested by the solar neutrino tension in T2HKK and DUNE

Monojit Ghosh, Osamu Yasuda|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 태양 중성미자-KamLAND 질량 제곱 차이 불일치 문제를 해결하기 위해 제안된 비표준 상호작용(NSI)이 향후 장거리 기반 실험 T2HKK와 DUNE에서 검증될 수 있는지 조사한다. 두 실험 모두 태양 및 KamLAND 데이터에서 유도된 NSI 최적 적합점(εD, εN)을 f=u,d인 경우 10σ 이상, 대부분의 매개변수 공간에서는 3σ 이상에서 배제할 수 있으며, DUNE의 감도가 약간 뛰어나다.

ABSTRACT

It was shown that the tension between the mass-squared differences obtained from solar neutrinos and those acquired through KamLAND experiments may be solved by the introduction of a non-standard flavor-dependent interaction (NSI) in neutrino propagation. In this study, we discuss the possibility of testing such a hypothesis using the future long-baseline neutrino experiments T2HKK and DUNE. Assuming that the NSI does not exist, we provide the excluded region within the ($ε_D$, $ε_N$) plane, where $ε_D$ and $ε_N$ are the parameters appearing in the solar neutrino analysis conducted with the NSI. We find that the best-fit value from the solar neutrino and KamLAND data (global analysis of a particular coupling to quarks) can be tested at more than 10$σ$ (3$σ$) by these two experiments for most of the parameter space.

연구 동기 및 목표

• 향후 장거리 기반 중성미자 실험 T2HKK와 DUNE가 태양 중성미자-KamLAND 질량 제곱 차이 불일치 문제를 해결하는 데 기여하는 비표준 상호작용(NSI)에 대해 어떤 감도를 가지는지 평가하기 위해.
• 글로벌 태양 중성미자 및 KamLAND 데이터에서 제안된 NSI 매개변수들이 이들 향후 실험에 의해 배제될 수 있는지 평가하기 위해.
• 다른 중성미자 질량 계층과 CP 위상에서 (εD, εN) 매개변수 공간을 탐색하는 데 있어 T2HKK와 DUNE의 성능를 비교하기 위해.
• 진짜 δCP 및 θ23 값에 따른 감도 의존성과 감도가 최대 또는 최소가 되는 매개변수 영역을 규명하기 위해.

제안 방법

• 연구는 태양 중성미자 및 KamLAND 데이터의 글로벌 피팅 분 析를 통해 up 및 down 쿼크(f=u,d)에 대한 flavor 보존 상호작용의 NSI 매개변수(εD, εN)를 추출한다.
• NSI 라그랑지안(식 (1))에서 유도된 효과적 해밀토니안을 포함한 NSI로 수정된 진동 확률을 사용하여 T2HKK와 DUNE의 예상 성능을 시뮬레이션한다.
• 진짜로 NSI가 존재하지 않는다고 가정하여 (εD, εN) 평면에서 χ² 분석을 통해 배제 영역을 평가한다.
• 비교적 높은 비율(1:3, T2HKK), 동일한 비율(1:1, DUNE), 스트로보스코프형(좁은 대역) 및 넓은 대역, 중성미자 질량 계층과 δCP의 영향을 감도에 고려한다.
• 다양한 진짜 δCP 및 θ23 값에서 T2HKK와 DUNE의 배제 능력을 비교하여 감도의 피크와 최소값을 식별한다.
• f=u 및 f=d에 중점을 두어 다양한 NSI 결합 유형에 대한 결과의 탄력성 평가를 수행하며, η ≈ -43.6°일 때의 영향도 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 T2HKK와 DUNE는 태양 중성미자 및 KamLAND 데이터에서 유도된 NSI 최적 적합점 (εD, εN) = (-0.14, -0.03)을 배제할 수 있는가?
• RQ2 T2HKK와 DUNE의 NSI 감도는 진짜 δCP 및 θ23 값에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 T2HKK와 DUNE의 εN 감도가 εD 감도보다 강한가? 기존 실험과 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ4 중성미자 질량 계층(NH 대비 IH)은 DUNE와 T2HKK의 NSI 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 η ≈ -43.6°일 때, T2HKK와 DUNE의 NSI 감도가 어떻게 소멸하는가? 어떤 조건에서 감도가 사라지는가?

주요 결과

• 진짜로 NSI가 존재하지 않는다고 가정할 경우, T2HKK와 DUNE는 f=u 및 f=d인 경우 모두 NSI 최적 적합점 (εD, εN) = (-0.14, -0.03)을 10σ 이상에서 배제할 수 있다.
• 대부분의 매개변수 공간에서 두 실험 모두 최적 적합점을 3σ 이상에서 배제할 수 있으며, DUNE의 감도가 T2HKK보다 약간 뛰어나다.
• 두 실험 모두 δCP = 0°일 때 감도가 가장 높고, δCP = 180°일 때 감도가 가장 낮으며, T2HKK는 δCP = 90° 및 270°에서 감도가 대칭이지만, DUNE는 그렇지 않다.
• 역질량 계층(IH)은 DUNE의 감도를 약간 향상시키며, NH 대비 IH일 경우 δCP = 180° 케이스도 3σ 이상에서 배제 가능하다.
• 진짜 NSI 매개변수 η가 -43.6°에 가까울 경우, 두 실험 모두 NSI 감도를 상실하지만, 여전히 기존 실험보다 |η - η₀|에 대한 더 강력한 제약 조건을 제공한다.
• T2HKK와 DUNE는 εD보다 εN에 더 민감하며, NSI 감도가 하이퍼카본(HK) 대기 중성미자 실험과 유사하거나 더 뛰어나다.