[논문 리뷰] Viable models for large non-standard neutrino interactions

Yasaman Farzan|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 15.

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한 줄 요약

이 논문은 $O(10\,$MeV)의 $Z'$ 보손을 지닌 경량 $U(1)'$ 게이지 대칭을 기반으로 두 가지 타당한 모델을 제안하며, 이는 중성미자에 대해 비표준 상호작용(NSI)을 생성하고, 그 상호작용 커플링은 약 $5\times10^{-5}$--$10^{-4}$의 주요 크기를 가집니다. 이러한 NSI는 DUNE 및 NO\nu A와 같은 장거리 기반 중성미자 진동 실험에서 구별 가능한 영향을 미칠 수 있으며, 쿼크와 중성미자에 대한 쿠퍼링의 맛과 편극성 구조를 신중히 설계함으로써 기존 실험 제약 조건과도 일치합니다.

ABSTRACT

Thanks to high precision long baseline neutrino experiments such as NO$ν$A and DUNE, possible effects of Non-Standard neutrino Interactions (NSI) on neutrino oscillation data have received renewed interest in the last two years. It is however challenging to build models that can give rise to NSI with sizeable couplings discernible at neutrino oscillation experiments without violating the various existing experimental bounds. We introduce two viable models that can lead to neutral current NSI with sizable couplings. Both models are based on a new $U(1)^\prime$ gauge symmetry with $Z^\prime$ gauge boson of mass $O(10~{ m MeV})$. We will highlight the common phenomenological features of these models and suggest ways to test them.

연구 동기 및 목표

• DUNE 및 NO\nu A와 같은 장거리 기반 진동 실험에서 검출 가능할 정도로 충분히 큰 커플링을 지닌 비표준 중성미자 상호작용(NSI)을 생성하는 타당한 모델을 구축하는 것.
• 중성미자 산란, 태양 중성미자 실험, 천체물리학적 제약 조건으로부터 기존 실험 제약 조건과 일치하는 모델을 확보하는 것.
• 천체물리학적 및 지상 실험에서 모델을 검증할 수 있는 관측 가능 서명을 식별하는 것.
• 공통의 $U(1)'$ 게이지 대칭으로부터 유도되는 맛 대각선 및 맛 비대칭 NSI의 구조적 현상학적 함의를 탐색하는 것.

제안 방법

• 질량이 $O(10\,$MeV)인 $Z'$ 게이지 보손을 지닌 새로운 $U(1)'$ 게이지 대칭을 도입하며, 이는 중성미자와 제1세대 쿼크에 결합합니다.
• 효과적인 4 Fermi NSI 라그랑지안이 $Z'$ 교환을 통해 유도되며, 이는 $\mathcal{L}_{\rm NSI} = -2\sqrt{2}G_F \epsilon_{\alpha\beta}^{fX} (\bar{\nu}_\alpha \gamma^\mu P_L \nu_\beta)(\bar{f}\gamma_\mu P_X f)$로 매개됩니다.
• 쿼크에 대한 비색성 결합($\epsilon^{fL}_{\alpha\beta} = \epsilon^{fR}_{\alpha\beta}$)을 도입하고, 전자 결합을 0으로 설정하여 태양 중성미자 조건을 유지합니다.
• $m_{Z'} < m_\pi$일 경우 $Z'$가 주로 중성미자로 붕괴하도록 보장하여, 고립 중성미자와의 공진 상호작용을 가능하게 합니다.
• 물질 내에서 $Z'$ 교환을 통해 $\epsilon_{\alpha\beta} \sim O(1)$ 크기의 큰 NSI 커플링을 생성함으로써 진동 패턴에 영향을 줄 수 있도록 합니다.
• CCFR, CHARM, NuTeV 등의 기존 실험 제약 조건과 BBN 등 천체물리학적 제약 조건에서 유도된 제약 조건을 도출합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 실험 제약 조건을 위반하지 않으면서도 큰 중성형인 NSI 커플링($\epsilon \sim O(1)$)를 생성할 수 있는 타당한 모델을 구성할 수 있는가?
• RQ2 질량이 약 $10\,$MeV인 경량 $Z'$ 보손이 중성미자 산란 및 태양 중성미자 데이터와 일치하면서도 상당한 NSI를 매개할 수 있는가?
• RQ3 이러한 $Z'$의 주요 천체물리학적 및 천체역학적 서명은 무엇인가?
• RQ4 큰 비대칭 NSI를 통해 태양 중성미자 문제의 LMA-Dark 해법을 설명할 수 있는가?
• RQ5 $Z'$가 초신성 중성미자 방출과 고에너지 우주 중성미자 스펙트럼에 미치는 관측 가능한 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 모델들은 약 $5\times10^{-5}$--$10^{-4}$ 크기의 NSI 커플링을 생성하며, 이는 DUNE 및 NO\nu A와 같은 장거리 기반 중성미자 진동 실험에서 측정 가능한 영향을 유도합니다.
• 질량이 $O(10\,$MeV)인 $Z'$ 보손은 초신성 핵에서 열적으로 생성되며, 약 $\sim10^{-9}$ km의 붕괴 길이로 중성미자로 붕괴하여 중성미자 방출 지속 시간을 연장시킵니다.
• 고에너지 우주 중성미자와 고립 중성미자 간의 상호작용으로 인해 $m_{Z'} \sim 10\,$MeV일 경우, 에너지 스펙트럼에 $E_\nu \sim 500\,$TeV--1 PeV에서 낙폭이 발생할 수 있습니다.
• $Z'$의 중성미자 및 쿼크에 대한 결합은 직접 암흑물질 탐색 실험으로부터 검증 가능합니다: 현재 CDMLite 실험($\sqrt{g_B g_\nu} \lesssim 5\times10^{-5}$)의 제약 조건이 파rameter space의 일부를 이미 압축하며, 향후 LUX-ZEPLIN 및 SuperCDMS 실험들이 이를 완전히 탐색할 수 있습니다.
• 모델들은 $Z'$ 공진으로 인해 우주 중성미자 스펙트럼에 관측 가능한 낙폭을 예측하며, 관련 커플링 범위에서 광학 두께 $\gtrsim 1$이 되어 IceCube 데이터에서 검출 가능할 수 있습니다.
• 모델들은 $m_{Z'} > 5\,$MeV 조건을 만족하여 BBN와 일치하며, 전자 결합을 0으로 설정하고 $u$ 및 $d$ 쿼크의 왼쪽/오른쪽 결합을 동일하게 설정함으로써 태양 중성미자 실험 제약 조건을 피합니다.