[논문 리뷰] XENON1T constraints on neutrino non-standard interactions

Siddhartha Karmakar, Sujata Pandey|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 23.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 XENON1T의 저에너지 전자 반발 데이터를 사용하여 운동량 혼합된 가벼운 $Z^{\backprime}$ 보손에 의해 매개되는 중성자 비표준 상호작용(NSI)을 제약한다. XENON1T는 $m_{Z^{\backprime}} \lesssim 300$ keV 범위에서 $Z^{\backprime}$-중성자 결합 상수에 대해 가장 엄격한 제약 조건을 제공하며, 주요 영역에서 전통적인 천체물리학적 제약 조건인 적색거대성에서의 냉각보다 뛰어나며, XENON1T의 2 keV 초과 현상과 일치하는 가능성이 있는 시나리오(2a형)를 규명한다.

ABSTRACT

The new XENON1T observation of dark matter-electron scattering cross-section, along with further constraining many popular dark matter models, has indicated the possibility of new physics at a low energy. We point out that this new observation also significantly constrain the neutrino non-standard interactions (NSI). We consider the NSI arising from a kinetically mixed $Z'$ with renormalisable and dipole-like interactions with the active and light sterile neutrinos. In passing, we also address the possibility of explaining the XENON1T excess around electron recoil energy ~ 2 keV in presence of such NSI.

연구 동기 및 목표

• XENON1T의 저에너지 전자 반발 데이터를 사용하여 경량 $Z^\prime$ 보손에 의해 매개되는 중성자 비표준 상호작용(NSI)을 제약하기 위해.
• XENON1T에서 관측된 약 2 keV 전자 반발 에너지에서의 초과 현상과 일치하는 $Z^\prime$-매개 NSI의 가능성 평가하기 위해.
• 활성 중성자와 희귀 중성자를 포함한 시나리오에서, XENON1T 제약 조건을 적색거대성 냉각, 초신성 냉각, Borexino와 비교하기 위해.
• 희귀 중성자 질량과 $Z^\prime$-중성자 결합 유형(표준형, 전기 dipole)이 제약 조건에 미치는 영향 평가하기 위해.
• 어떤 NSI 시나리오도 XENON1T 초과 현상을 동시에 설명하면서 천체물리학적 및 천문학적 제약 조건을 만족할 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 표준형 및 전기 dipole 유형의 상호작용을 통해 활성 중성자와 가벼운 희귀 중성자와 결합하는 운동량 혼합된 $Z^\prime$ 보손을 통한 NSI 모델링.
• Z' - 중성자 상호작용 라그랑지안에서 유도된 진폭을 사용하여 중성자-전자 산란의 미분 단면적 계산하며, 운동학적 요소와 $\epsilon$-의존성 혼합 포함.
• XENON1T의 효율성 인자 $\epsilon_{\text{eff}}(E_R)$를 적용하고 태양 중성자 플럭스(pp, $^7$Be, $^8$Be, hep)를 통합하여 사건 수율 계산.
• 최적의 제약 조건을 도출하기 위해 $\chi^2$-피팅을 사용하여 다양한 $m_{Z^{\backprime}}$ 및 $m_N$ 값에 대한 결합 상수 $g\epsilon$의 최적 피팅 수행.
• XENON1T 제약 조건을 적색거대성 냉각(RG), 초신성 냉각(SN), 대폭탄 핵합성(BBN) 제약 조건과 비교하며, 특히 희귀 중성자 시나리오에서의 비교 수행.
• 고질량 희귀 중성자($m_N \gtrsim 400$ keV)에서 $Ne \to Ne$ 탄성 산란이 $\nu e \to Ne$ 비탄성 산란보다 지배적임을 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 XENON1T의 저에너지 전자 반발 데이터는 활성 및 희귀 중성자를 포함한 $Z^\prime$-매개 중성자 비표준 상호작용(NSI)에 대해 어떤 제약 조건을 제공하는가?
• RQ2 어떤 $Z^\prime$-매개 NSI 시나리오도 XENON1T의 약 2 keV 전자 반발 에너지에서의 초과 현상과 일치하면서 천체물리학적 제약 조건을 만족할 수 있는가?
• RQ3 다양한 $m_{Z^{\backprime}}$ 및 $m_N$ 영역에서 XENON1T 제약 조건이 적색거대성 냉각 및 초신성 냉각 제약 조건보다 어느 정도 강력한가?
• RQ4 고질량 희귀 중성자($m_N \gtrsim 400$ keV) 영역에서 $Ne \to Ne$ 산란이 $\nu e \to Ne$ 산란보다 지배적일 경우 제약 조건에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 천체물리학적 냉각 및 우주론적 제약 조건을 포함한 후, $Z^\prime$-중성자 결합 상수가 유지되는 매개변수 영역은 어디인가?

주요 결과

• For $m_{Z^{\backprime}} \lesssim 80$ keV, red giant cooling provides the strongest constraint on $Z^{\backprime}$-neutrino couplings via renormalizable interactions (case 1a), but XENON1T surpasses it for $m_{Z^{\backprime}} \gtrsim 80$ keV.
• For dipole interactions with active neutrinos (case 1b), XENON1T provides the most stringent constraints in the range $30~\text{keV} \lesssim m_{Z^{\backprime}} \lesssim 300$ keV, with $g\epsilon \lesssim 2.4 \times 10^{-13}$ at 2σ.
• For $m_{Z^{\backprime}} \lesssim 30$ keV and $m_{Z^{\backprime}} \gtrsim 300$ keV, red giant and supernova cooling bounds dominate over XENON1T, respectively.
• For sterile neutrino scenarios with $m_N \lesssim 10$ keV, red giant cooling is strongest; for $m_N \gtrsim 10$ keV, XENON1T constraints dominate, especially for $m_{Z^{\backprime}} \sim 1$ keV.
• For $m_{Z^{\backprime}} = 150$ keV, XENON1T constraints are stronger than red giant cooling for all $m_N$, indicating its dominance in the keV-scale $Z^{\backprime}$ regime.
• In cases involving dipole interactions with sterile neutrinos (cases 2b and 3b), supernova cooling provides the tightest bounds for $m_N \gtrsim 350$ keV, while XENON1T constraints weaken for $m_N \gtrsim 200$ keV due to the falling solar neutrino flux above 400 keV.